BFT Protokolleri: PBFT ve Tendermint

Lamport, Shostak ve Pease tarafından 1982'de ortaya konan Bizans Generalleri Problemi şu soruyu sorar: Bazı katılımcılar çelişkili mesajlar gönderdiğinde dağıtık bir sistem uzlaşmaya ulaşabilir mi? Problem, bir saldırıyı koordine etmesi gereken ancak çelişkili emirler gönderen hainler içerebilen Bizans generallerinin adını taşır. Toplam 3f+1 düğüm içindeki en fazla f kötü niyetli düğüme rağmen doğru uzlaşmaya ulaşan sistem Bizans Hata Toleranslıdır (BFT). BFT, karşı tarafın saldırılarına açık koşullarda güvenlik gerektiren blok zinciri uzlaşması için altın standarttır.

PBFT (Castro ve Liskov, 1999), BFT'nin gerçek sistemlerde verimli biçimde çalışabileceğini gösteren ilk pratik BFT protokolüdür. PBFT, her birinde belirlenmiş bir birincil düğümün (liderin) bulunduğu görünümlerde (dönemlerde) çalışır. Normal çalışma üç aşamadan oluşur: ön hazırlık (birincil düğüm istemci isteğini + sıra numarasını yayınlar), hazırlık (kopyalar sıra numarasıyla birlikte uzlaşmayı yayınlar) ve taahhüt (kopyalar taahhüt onayını yayınlar). Bir kopya, eşleşen 2f+1 taahhüt mesajı topladığında istek yürütülür. PBFT, kopyaların 1/3'ünden azının Bizans olduğu varsayımıyla güvenlik ve canlılık sağlar.

PBFT'nin temel sınırlaması, istek başına O(n^2) ileti karmaşıklığıdır: n kopyanın her biri hazırlık ve taahhüt aşamalarında diğerlerinin tümüne mesaj gönderir. n=100 kopya için her istek yaklaşık 10.000 mesaj üretir. Bu durum PBFT'yi büyük doğrulayıcı kümeleri için kullanışsız hâle getirir. BFT araştırma topluluğu bunu geliştirmek için yirmi yıl harcadı: BFT-SMART sabit katsayıları azalttı, HotStuff lider aracılı iletim modeliyle doğrusal ileti karmaşıklığına ulaştı ve Tendermint PBFT fikirlerini halka açık blok zincirlerinde kullanılmak üzere uyarladı.

Bir PBFT birincil düğümünün hatalı olduğundan şüphelenildiğinde (zaman aşımı), kopyalar görünüm değişikliğini başlatır. Her kopya, durumunu (eski görünümde hazırlanmış değerleri) içeren bir görünüm değişikliği mesajını yayınlar. Yeni birincil düğüm 2f+1 görünüm değişikliği mesajı toplar, durum geçişinin daha önce taahhüt edilmiş değerlerle tutarlı olduğunu kanıtlayan bir yeni görünüm mesajı oluşturur ve bunu yayınlar. Görünüm değişiklikleri pahalıdır (O(n^3) mesaj) ve pratikte bir darboğaz oluşturmuştur. PBFT'nin görünüm değişikliği sertifikası ve HotStuff'ın işlem hatlı tasarımı gibi iyileştirmeler bu sorunu ele alır.

Tendermint (2014, Kwon; 2019'da Cosmos'ta üretimde), PBFT'yi halka açık blok zinciri ortamlarına uyarlar. Tendermint'te blok başına üç aşama vardır: önerme (lider önerilen bloğu yayınlar), ön oylama (doğrulayıcılar öneri için oy kullanır) ve ön taahhüt (doğrulayıcılar 2/3'lük ön oyları gördükten sonra taahhüt etmek için oy kullanır). Bir doğrulayıcı 2/3'lük ön taahhüt oyu topladığında blok taahhüt edilir; bu bir yeter sayı sertifikasıdır. Doğrulayıcılar, hisseye göre ağırlıklandırılmış sıra dönüşümlü düzende önerici olarak sırayla görev yapar. Bir tur taahhüt olmadan zaman aşımına uğrarsa doğrulayıcılar boş oy kullanarak bir sonraki tura geçer.

Tendermint güçlü güvenlik sağlar: hissenin 1/3'ünden azı Bizans olduğu sürece taahhüt edilmiş bir blok kesindir ve geri alınamaz. Bu, eşzamanlı kesinliktir; taahhütten sonra çatallanma olmaz. Canlılık kısmen eşzamanlı bir ağ gerektirir: ileti gecikmeleri sınırlandığında protokol ilerler, ancak sürekli eşzamanlılık gerektirmez. Canlılık ile güvenlik arasındaki ödünleşim temeldir: Tendermint, güvenliği garanti etmek için canlılıktan ödün verir (ağ bölünürse durabilir); Bitcoin gibi zincirler ise canlılık uğruna güvenlikten ödün verir (geçici çatallanmaların oluşmasına izin verir).

Tendermint'in kritik mekanizmalarından biri oy kilitlemedir. Bir doğrulayıcı r turunda bir blok için ön taahhüt gönderdiğinde o bloğa kilitlenir. Sonraki turlarda kilitli bir doğrulayıcı yalnızca kilitlendiği blok için ön oy verebilir (veya bloğun taahhüt edilmediğine dair kanıt alırsa boş oy verebilir). Bu, turlar arasında çelişkili taahhütleri önler. Bir doğrulayıcı, daha sonraki bir turda farklı bir blok için 2/3'lük ön oy çoğunluğu alırsa kilidini açabilir; bu çoğunluk, ilk bloğun taahhüt edilmediğini kanıtlar.

Cosmos Zincirler Arası İletişim (IBC), zincirler arası aktarımlar için Tendermint'in anlık kesinliğine dayanır. Bir Tendermint hafif istemcisi, doğrulayıcı kümesini ve son taahhüdü (bir blok başlığı ile 2/3'lük ön taahhüt imzasını) izler. Zincir A'dan gelen bir paketi doğrulamak için zincir B'nin IBC modülü, yeter sayı sertifikasını, yani zincir A doğrulayıcılarının 2/3'ünün ilgili blok başlığını imzaladığını doğrular. Böylece IBC güvenliği Tendermint'in BFT garantisine bağlı olur: kaynak blok taahhüt edilir edilmez zincirler arası aktarım kesinleşir.

HotStuff (Yin ve diğerleri, 2018; Facebook'un LibraBFT/DiemBFT'sinin temeli, günümüzde Aptos ve Sui), yıldız topolojisi kullanarak uzlaşma turu başına O(n) ileti karmaşıklığına ulaşır: tüm doğrulayıcılar oylarını lidere gönderir, lider bunları bir eşik imzasında (QC, yeter sayı sertifikası) birleştirir ve QC'yi yayınlar. HotStuff, güvenlik kanıtlarının art arda gelen üç QC'ye yayıldığı ve işlem hattı kullanımını mümkün kılan üç aşamalı zincirleme bir tasarım kullanır. Doğrusal karmaşıklık, HotStuff'ı Aptos ve Sui'de kullanıldığı gibi 100-300 doğrulayıcı için pratik hâle getirir.

Kurumsal blok zincirleri (Hyperledger Fabric, Besu, Quorum), doğrulayıcı kimliklerinin bilindiği izinli ağlarda BFT uzlaşmasını kullanır. Hyperledger Fabric'in Raft tabanlı sıralama hizmeti, güvenilir konsorsiyumlar için çökme hatası toleransı (Bizans hatası değil) sağlar. Fabric'in planlanan BFT kilometre taşı, kütüphane tabanlı bir uygulama olan SmartBFT'yi hedefler. R3 Corda, çift harcamanın önlenmesi için BFT-SMART kullanan bir noter kümesi kullanır. CFT ile BFT arasındaki seçim güven varsayımlarını yansıtır: Doğrulayıcılar karşı tarafın saldırısına açık olabilirse BFT gerekir; yalnızca güvenilmezlerse CFT yeterlidir.

BFT'yi anlamak, hangi saldırılara direndiğini ve hangilerine direnmediğini anlamayı gerektirir. BFT, farklı eşlere çelişkili mesajlar gönderen doğrulayıcılarla ve çöken ya da sessiz kalan doğrulayıcılarla başa çıkar. Ancak Sybil saldırılarına karşı koruma sağlamaz; sahte kimlikler oluşturarak doğrulayıcıların 1/3'ünü kontrol eden bir saldırgan güvenliği bozabilir. Bu nedenle halka açık BFT zincirleri Hisse Kanıtı ile hisse ağırlıklandırması kullanır: Hissenin 1/3'ünü edinmek gerçek paraya mal olur ve Sybil saldırılarına karşı direnç sağlar. BFT ayrıca mesajların sonunda teslim edileceğini (kısmi eşzamanlılığı) varsayar; canlılık zaman aşımından daha uzun süren bir ağ bölünmesi zinciri durdurabilir.

Standart bir BFT protokolünde güvenliği korurken doğrulayıcıların en fazla hangi oranı Bizans olabilir?

BFT protokolleri, kötü niyetli doğrulayıcıların 1/3'üne kadarına rağmen uzlaşmayı garanti eder. PBFT (1999), BFT'yi pratik hâle getirdiğini kanıtladı ancak O(n^2) ileti karmaşıklığına sahiptir. Tendermint, anlık kesinlik ve oy kilitleme ile PBFT'yi blok zincirlerine uyarlar. HotStuff, eşik imzalı QC'ler yoluyla O(n) karmaşıklığına ulaşır ve Aptos ile Sui'de kullanılır. Cosmos IBC, doğrulanmış zincirler arası aktarımlar için Tendermint'in anlık kesinliğini kullanır. Kurumsal blok zincirleri, Bizans hatalarının mı yoksa yalnızca çökmelerin mi beklenmesine bağlı olarak BFT-SMART veya Raft kullanır.