Byzantinische Fehlertoleranz

Grundlagen

Seit der Entstehung von Bitcoin im Jahr 2008 wurden zahlreiche Kryptowährungen entwickelt, jede mit einem eigenen Mechanismus und Zweck. Dezentralisierung ist das Fundament nahezu aller Kryptowährungen, wobei die Blockchain ihr zentrales Element darstellt und als verteiltes digitales Hauptbuch von einem Netzwerk von Computer-Knoten gepflegt wird. Dieser Mechanismus ermöglicht vertrauensfreie Wirtschaftsmodelle. Er erlaubt transparente und verlässliche Finanztransaktionen ohne Zwischeninstanzen und bietet eine Alternative zu stark zentralisierten traditionellen Bank- und Zahlungssystemen. Allerdings ist die Findung eines Konsenses in verteilten Netzwerken eine Herausforderung, da die Teilnehmer häufig Übereinstimmung über den aktuellen Zustand der Blockchain erzielen müssen. Das nennt man Konsensfindung — ein kritischer Aspekt jedes verteilten Rechensystems.

Das Problem der byzantinischen Generäle ist eine grundlegende Fragestellung, die auftritt, wenn ein verteiltes Netzwerk von Computer-Knoten einen Konsens erreichen muss, während fehlerhafte oder böswillige Knoten vorhanden sind. Daraus entwickelte sich das Konzept der byzantinischen Fehlertoleranz.

Das Problem der byzantinischen Generäle verstehen

Das Problem der byzantinischen Generäle wurde erstmals 1982 beschrieben und erklärt, wie eine Gruppe von Generälen Kommunikationsprobleme haben kann, wenn sie versuchen, sich auf eine gemeinsame Entscheidung zu einigen. Jeder General hat seine eigene Armee an unterschiedlichen Positionen um die Stadt, die sie angreifen wollen. Sie müssen sich darauf einigen, ob sie angreifen oder sich zurückziehen. Allerdings können die Generäle nur über Nachrichten kommunizieren, die von Boten übermittelt werden und verzögert, zerstört oder verloren gehen können. Außerdem kann ein oder mehrere Generäle böswillig handeln und falsche Nachrichten senden, um die anderen zu verwirren, was zum totalen Scheitern führen kann. 

Im Kontext von Blockchains stehen die Generäle für Netzwerkknoten, die sich über den aktuellen Zustand des Systems einigen müssen. Konsens in diesen verteilten Systemen kann nur erreicht werden, wenn mindestens ⅔ oder mehr zuverlässige und ehrliche Netzwerkknoten vorhanden sind. Andernfalls ist das System anfällig für Ausfälle und Angriffe, wie etwa den 51%-Angriff. Daher müssen die meisten Teilnehmer innerhalb eines verteilten Netzwerks zustimmen und dieselbe Aktion ausführen, um einen kompletten Zusammenbruch zu vermeiden.

Das Konzept der byzantinischen Fehlertoleranz

Byzantinische Fehlertoleranz (BFT) ist eine Eigenschaft eines Systems, die es ihm erlaubt, Ausfälle zu überstehen, wie sie durch das Problem der byzantinischen Generäle entstehen. Im Wesentlichen kann ein BFT-System weiter funktionieren, selbst wenn einige Knoten nicht funktionieren oder sich böswillig verhalten. Es wurden zahlreiche Lösungen entwickelt, um das Problem der byzantinischen Generäle zu überwinden, woraus verschiedene Methoden zur Schaffung eines BFT-Systems entstanden. Ebenso gibt es unterschiedliche Techniken, um byzantinische Fehlertoleranz in Blockchain-Systemen zu erreichen, die als Konsensalgorithmen bezeichnet werden.

Konsensalgorithmen in Blockchain

Konsensalgorithmen sind Mechanismen, die von Blockchain-Netzwerken verwendet werden, um Konsens zu erreichen und korrekt ohne Fehler und Betrug zu arbeiten. Die am weitesten verbreiteten Implementierungen sind Proof of Work (PoW) und Proof of Stake (PoS). Die grundlegenden Regeln des Bitcoin-Protokolls sind festgelegt, während der PoW-Konsensalgorithmus bestimmt, wie diesen Regeln gefolgt werden muss, um Konsens zu erzielen, etwa bei der Validierung und Verifizierung von Transaktionen.

Satoshi Nakamoto entwickelte eine modifizierte Version von PoW, die die Entstehung von Bitcoin als BFT-System ermöglichte. Obwohl PoW nicht vollständig tolerant gegenüber byzantinischen Fehlern ist, machen der kostspielige Mining-Prozess und kryptografische Verfahren PoW zu einer der sichersten und zuverlässigsten Implementierungen für Blockchain-Netzwerke. Folglich betrachten viele PoW als eine der brillantesten Lösungen gegen byzantinische Fehler.

Fazit

Das Problem der byzantinischen Generäle bildet die Grundlage der Systeme mit byzantinischer Fehlertoleranz. BFT ermöglicht die Etablierung eines dezentralen Konsensmechanismus, sodass Knoten sich ohne zentrale Autorität auf den Zustand des Netzwerks einigen können. 

Effiziente Netzwerkkommunikation und ein robuster Konsensmechanismus sind entscheidend für jedes Blockchain-Ökosystem. Obwohl fortlaufend an der Absicherung dieser Systeme gearbeitet wird, kämpfen bestehende Konsensalgorithmen weiterhin mit bestimmten Einschränkungen wie Skalierbarkeit. Nichtsdestotrotz haben sich die Algorithmen Proof of Work und Proof of Stake als vielversprechende Ansätze zum Aufbau von BFT-Systemen erwiesen und inspirieren weitreichende Innovationen in ihren potenziellen Anwendungen. Auf diese Weise finden sie heute Verwendung in der Luftfahrt-, Raumfahrt- und Kernenergiebranche.