ビザンチン障害耐性（Byzantine Fault Tolerance）の解説

ビザンチン将軍問題

ビザンチン将軍問題は、規制を執行し参加者を監督する中央機関が存在しない場合に、分散化された当事者間でコンセンサスに達することの困難さを説明しています。技術的な障害や誤情報により、構成要素が合意に達することができない場合があります。問題は次のようなものです：「 ビザンチン軍の複数の師団が敵の都市の外に陣を張っており、各師団はそれぞれの将軍によって指揮されているとします。将軍たちは伝令によってのみ互いに連絡を取ることができます。敵を観察した後、彼らは共通の行動計画を決定しなければなりません。しかし、一部の将軍が裏切り者である可能性があり、忠実な将軍たちの合意を妨げようとするかもしれません。将軍たちは、(A)すべての忠実な将軍が同じ行動計画を決定し、(B)少数の裏切り者が忠実な将軍に悪い計画を採用させることができない、というアルゴリズムを持たなければなりません 」（ ビザンチン将軍問題、1982年 ）。マーシャル・ピース、ロバート・ショスタック、レスリー・ランポートは1982年にビザンチン将軍問題を提案し、「敵の都市を取り囲むビザンチン軍の将軍たちと兵士たちの集合という抽象的な形で表現」しました。

ビザンチン問題の形成

以下のシナリオでは、司令官の1人または副官が裏切り者であり、グループがコンセンサスに達することを妨げています。金融台帳の文脈では、裏切り者を不正取引を促進しようとする悪意のある当事者と考えてください。

システム内の当事者の数が増えるにつれて、通信経路の数も不信感や誤情報の可能性も増加します。何千何万もの副官や将軍が関与する場合の合意達成の困難さを考えてみてください。これは分散システムを管理するノードが直面する課題であり、この問題を解決するためにビザンチン障害耐性モデルの開発につながりました。

ビザンチン障害耐性の説明

ビザンチン障害耐性（BFT）は、誤った情報や不正確な情報を検出し拒否することができる分散型の許可不要システムの特性です。ビザンチン障害耐性システムでは、参加者のネットワークを管理・制御する中央機関がない状態で、誰でもピアツーピア方式でネットワークに参加できます。ビザンチン障害耐性がなければ、ネットワーク参加者が誤った情報を送信し、その信頼性を危険にさらす可能性があります。ビットコインブロックチェーンネットワークの文脈では、各参加者はノードと呼ばれ、ノードはビットコインネットワークに素早く参加してブロックやトランザクションのブロードキャストを開始できます。ブロックチェーンで適用可能なビザンチン障害耐性システムは、ビザンチン将軍問題の解決策です。

ビザンチン障害耐性はブロックチェーンとどのように関連しているか？

ブロックチェーン技術は、暗号通貨におけるトランザクションの検証、処理、記録に使用されます。トランザクションを完了するには、ノードのグループがそのトランザクションが有効であることに同意する必要があります。各ブロックチェーンネットワークには、ノードがトランザクションに合意するために使用する一連のルールであるコンセンサスアルゴリズムがあります。ブロックチェーンネットワークは、ピアツーピアで接続されたノードで構成されています。ブロックチェーンノードは、任意のデバイス（コンピュータ）を使用してネットワークに接続するネットワーク参加者です。ブロックチェーンノードは、コンセンサスを通じて分散的に相互に通信します。完全に分散化されたブロックチェーンでは、どのノードも他のノードより大きな力を持ちません。ブロックチェーンネットワークのノードは、合意に達するためにコンセンサスを使用します。ビザンチン障害耐性システムの文脈では、コンセンサスは「将軍たちの合意」です。コンセンサスは、ネットワークを管理する中央機関のない分散システムにおいて、最も重要かつ最も困難なタスクです。分散型ブロックチェーンでトランザクションを成功させるには、ノードの過半数がトランザクションの有効性に同意する必要があり、これによってブロックチェーンネットワークの効果的な運用と透明性が確保されます。

ビザンチンノードは、システムを混乱させようとするブロックチェーン内の悪意のあるノードです。これらのノードは、システムから盗む（二重支払い）ためや単にシステムを混乱させるために、意図的にネットワーク内の他のノードを誤導する可能性があるため、裏切りノードとも呼ばれます。適切に運用されているブロックチェーンネットワークは、ブロックチェーンのビザンチン障害耐性が障害を克服するのに役立つことを保証します。

実用的および非同期ビザンチン障害耐性

実用的ビザンチン障害耐性（pBFT）は、ビザンチン障害耐性システムの限界を克服するために、実用的なビザンチン状態マシンレプリケーションを提供するモデルです。pBFTは、独立したノードの障害と特定の独立したノードによって引き起こされた操作されたメッセージが存在するという前提に基づいて、ビザンチン障害を解決します。pBFTモデルは、既存のビザンチン耐性ソリューションの問題点と欠点を解決するために開発されました。ブロックチェーンと分散コンピューティングは、実用的ビザンチン障害耐性（pBFT）モデルの主な適用分野です。実用的ビザンチン障害耐性モデルは、悪意のあるノードの影響を軽減し、分散システムを障害とダウンタイムから保護します。このアルゴリズムは高性能で、わずかな遅延の増加で非同期システムで動作するように最適化されています。

ビザンチン障害耐性モデルの機能の1つは、非同期ビザンチン障害耐性（aBFT）と呼ばれます。非同期ビザンチン障害耐性（aBFT）システムにより、信頼できるネットワークノードは、一連のトランザクションのタイミングと順序付けについて公平かつ安全に合意することを保証できます。ビザンチン障害耐性の「非同期」特性は、ビザンチン障害耐性システムのタイミングの課題を克服します。従来のビザンチン障害耐性システムでは、コンセンサスに達する際に、ノードはメッセージ遅延の最大閾値があると仮定します。一部のメッセージが失われたり無期限に遅延したりする原因となるビザンチン障害耐性システムにおけるこのタイミングの仮定は、非同期ビザンチン障害耐性（aBFT）ネットワークによって排除されます。