Wichtige Erkenntnisse
Byzantinische Fehlertoleranz (BFT) ist eine Eigenschaft, die es verteilten Systemen, einschließlich Blockchains, ermöglicht, weiter zu arbeiten, selbst wenn einige Knoten ausfallen oder unehrlich handeln.
Das Konzept stammt vom Problem der byzantinischen Generäle, einem Gedankenexperiment darüber, wie unabhängige Akteure eine Einigung erzielen können, wenn einige möglicherweise unzuverlässig sind.
Die meisten Blockchains verwenden einen Konsensalgorithmus wie Proof-of-Work oder Proof-of-Stake, um BFT zu erreichen und das Netzwerk zu sichern.
Ein Netzwerk benötigt im Allgemeinen mindestens zwei Drittel seiner Teilnehmer, die ehrlich sind, damit BFT gültig bleibt.
Einführung
Seit Bitcoin 2008 als Peer-to-Peer-Elektronikzahlungssystem gestartet ist, haben Blockchains auf einer Schlüssel-Eigenschaft beruht: die Fähigkeit, unter vielen unabhängigen Teilnehmern ohne Vertrauen in einen einzelnen zu einer Einigung zu gelangen. Das ist schwieriger als es klingt, besonders wenn einige Teilnehmer unvorhersehbar oder unehrlich handeln.
Das Konzept, das diese Herausforderung anspricht, heißt byzantinische Fehlertoleranz. Ihr Verständnis hilft zu erklären, warum Blockchain-Netzwerke sicher funktionieren können, selbst in Anwesenheit von schlechten Akteuren oder Hardwarefehlern.
Was ist das Problem der byzantinischen Generäle?
Das Problem der byzantinischen Generäle wurde erstmals 1982 beschrieben. Es verwendet ein militärisches Gedankenexperiment, um die Schwierigkeit zu veranschaulichen, in einem verteilten System eine Einigung zu erzielen, wenn einige Teilnehmer nicht vertrauenswürdig sind.
Stellen Sie sich eine Gruppe von Generälen vor, die jeweils eine separate Armee befehligen und eine Stadt umzingeln. Sie müssen sich auf einen Plan einigen: gemeinsam angreifen oder gemeinsam zurückziehen. Wenn sie unabhängig handeln, verlieren sie. Das Problem besteht darin, dass sie nur über Boten kommunizieren können, und einige Generäle könnten Verräter sein, die widersprüchliche oder falsche Nachrichten senden.
Die zentrale Herausforderung lautet: Wie können die loyalen Generäle sich auf einen Plan einigen, wenn sie nicht erkennen können, wer lügt? Im Kontext von Blockchain repräsentiert jeder General einen Netzwerk-Knoten, und die Entscheidung "angreifen oder zurückziehen" wird ersetzt durch die Einigung darauf, welche Transaktionen gültig sind.
Die Schlussfolgerung aus der ursprünglichen Forschung ist, dass ein BFT-System mindestens zwei Drittel der Teilnehmer benötigt, die ehrlich sind. Wenn ein Drittel oder mehr fehlerhaft oder böswillig ist, wird es unmöglich, einen zuverlässigen Konsens zu erreichen.
Byzantinische Fehlertoleranz (BFT)
Byzantinische Fehlertoleranz ist die Eigenschaft eines Systems, das weiterhin korrekt funktioniert, selbst wenn einige Komponenten ausfallen oder böswillig agieren. Ein BFT-System kann eine bestimmte Anzahl fehlerhafter Knoten tolerieren, ohne die Integrität des gesamten Netzwerks zu gefährden.
In der Praxis bedeutet dies, dass eine BFT-Blockchain Szenarien bewältigen kann, in denen Knoten abstürzen, die Konnektivität verlieren, doppelte Nachrichten senden oder absichtlich versuchen, das Netzwerk zu manipulieren. Das System erreicht das richtige Ergebnis, solange der Anteil der fehlerhaften Knoten unter der akzeptablen Schwelle bleibt.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein BFT-System zu erstellen. Der Ansatz, den eine Blockchain wählt, hängt von ihren Designprioritäten ab, wie Geschwindigkeit, Dezentralisierung und Sicherheit. Dies führt zur Entwicklung unterschiedlicher Konsensalgorithmen.
Blockchain-Konsensalgorithmen
Ein Konsensalgorithmus ist der Mechanismus, den eine Blockchain verwendet, um über den Zustand des Ledgers zuzustimmen. Die gebräuchlichsten Ansätze sind Proof-of-Work (PoW) und Proof-of-Stake (PoS).
Bitcoin verwendet PoW, das von Satoshi Nakamoto in das bekannt gewordene Nakamoto-Konsensmodell adaptiert wurde. In diesem Modell konkurrieren Knoten darum, ein rechnerisch aufwendiges Rätsel zu lösen, um einen neuen Block hinzuzufügen. Die Kosten dieser Arbeit machen es wirtschaftlich unpraktisch für einen bösen Akteur, die Kette umzuschreiben, ohne mehr als die Hälfte der gesamten Rechenleistung zu kontrollieren. Diese Art von Angriff wird als 51%-Angriff bezeichnet.
PoW ist nicht 100% immun gegen byzantinische Fehler, aber die Kosten für das Mining und die kryptografische Sicherheit der Kette haben es in der Praxis äußerst zuverlässig gemacht.
PoS erreicht ähnliche Ziele auf andere Weise. Statt rechnerischer Arbeit setzen Validatoren Kryptowährung als Sicherheiten. Unehrliches Verhalten kann zum Verlust dieser Sicherheiten führen, was einen starken wirtschaftlichen Anreiz für ehrliche Teilnahme schafft.
Ethereum wechselte 2022 zu PoS, und sein Finalitätsmechanismus basiert auf BFT-Prinzipien, die in Protokollen wie Tendermint verwendet werden. Diese Protokolle ermöglichen es einem Netzwerk, Blöcke als endgültig zu bestätigen, sobald genügend Validatoren zugestimmt haben, was sowohl Geschwindigkeit als auch Sicherheit im Vergleich zur probabilistischen Finalität in PoW-Ketten verbessert.
FAQ
Was bedeutet byzantinische Fehlertoleranz?
Byzantinische Fehlertoleranz bedeutet, dass ein System weiterhin korrekt funktioniert, selbst wenn einige seiner Komponenten unvorhersehbar oder unehrlich agieren. Bei Blockchain bedeutet das, dass das Netzwerk Konsens über gültige Transaktionen erreichen kann, selbst wenn einige Knoten falsche oder widersprüchliche Informationen senden.
Warum heißt es byzantinische Fehlertoleranz?
Der Name stammt vom Problem der byzantinischen Generäle, einem Gedankenexperiment aus dem Jahr 1982, das eine Geschichte über militärische Generäle verwendet, um die Herausforderung zu beschreiben, eine Einigung zu erzielen, wenn einige Teilnehmer nicht vertrauenswürdig sind. Der Begriff "byzantinisch" in der Informatik bezieht sich auf willkürliche oder böswillige Fehler, im Gegensatz zu einfachen Abstürzen.
Wie viel von einem Netzwerk muss ehrlich sein, damit BFT funktioniert?
Im Allgemeinen benötigt ein BFT-System mindestens zwei Drittel der Teilnehmer, die sich ehrlich verhalten. Wenn ein Drittel oder mehr des Netzwerks böswillig handelt oder ausfällt, können die meisten BFT-Protokolle kein korrektes Ergebnis mehr garantieren. Diese Schwelle variiert leicht, abhängig vom spezifischen Konsensprotokoll, das verwendet wird.
Ist Proof-of-Work byzantinisch fehlertolerant?
Proof-of-Work ist nicht perfekt byzantinisch fehlertolerant, aber es erreicht praktische Resilienz durch die hohen Kosten des Minings. Ein Angreifer müsste mehr als 50 % der gesamten Rechenleistung des Netzwerks kontrollieren, um die Kette konsequent zu manipulieren, was solche Angriffe teuer und schwer aufrechtzuerhalten macht.
Schlussfolgerungen
Byzantinische Fehlertoleranz ist ein grundlegendes Konzept im Design von Blockchains. Es erklärt, warum Netzwerke wie Bitcoin und Ethereum zuverlässig funktionieren können, selbst in einer Umgebung, in der Teilnehmer anonym sind und einige versuchen könnten, zu betrügen. Ob durch Proof-of-Work, Proof-of-Stake oder neuere BFT-Protokolle, die in modernen Ketten verwendet werden, das Ziel bleibt dasselbe: unabhängigen Knoten zu ermöglichen, sich über die Wahrheit zu einigen, ohne einander individuell vertrauen zu müssen.
Weiterführende Literatur
Was ist ein Blockchain-Konsensalgorithmus?
Was ist Proof of Work (PoW)?
Was ist Proof of Stake (PoS)?
Was ist ein 51%-Angriff?
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