Hệ thống chịu lỗi Byzantine là gì? Đánh giá tầm quan trọng của Byzantine Fault Tolerance

Hệ thống chịu lỗi Byzantine được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghệ và khoa học máy tính. Nền tảng có tác dụng lớn trong việc đảm bảo tính toàn vẹn của thông tin và xử lý nhiều vấn đề phức tạp khác. Bài viết hôm nay giới thiệu những kiến thức cơ bản về Byzantine Fault Tolerance. Mời bạn cùng FPT Shop tham khảo!

Giới thiệu sơ lược về Byzantine Fault Tolerance

Hệ thống chịu lỗi Byzantine là gì?

Hệ thống chịu lỗi Byzantine là một khái niệm quan trọng trong lĩnh vực máy tính và hệ thống phân tán. Thuật ngữ “Byzantine Fault Tolerance” thường được sử dụng để mô tả quá trình xử lý lỗi trong mạng lưới phân tán. Khái niệm này xuất phát từ vấn đề “Byzantine Generals Problem” được đặt ra bởi Leslie Lamport, Robert Shostak và Marshall Pease vào năm 1982.

Trong hệ thống phân tán, lỗi Byzantine xảy ra khi một hoặc nhiều thành phần của hệ thống không hoạt động chính xác hoặc có ý đồ gian lận bằng cách gửi thông tin sai lệch cho các thành phần khác trong mạng lưới. Điều này dẫn đến việc các thành phần khác nhau trong mạng gặp phải tình trạng mâu thuẫn khi lắng nghe thông tin và không thể đạt kết quả thống nhất.

Để giải quyết vấn đề này, hệ thống chịu lỗi Byzantine được áp dụng nhằm đảm bảo cho các phần tử trong mạng lưới luôn hoạt động chính xác. Ngay cả trong điều kiện một hoặc nhiều thành phần của hệ thống bị lỗi hoặc có ý đồ gian lận. Các giải pháp phổ biến bao gồm việc sử dụng mã xác thực, thuật toán đồng thuận và kiến trúc hệ thống đặc biệt để giảm thiểu ảnh hưởng của lỗi Byzantine.

Nguồn gốc hình thành Byzantine từ đâu?

Hệ thống chịu lỗi Byzantine xuất phát từ vấn đề “Byzantine Generals Problem” được đặt ra bởi ba cái tên chính là Leslie Lamport, Robert Shostak và Marshall Pease. Vấn đề này mô tả tình huống mà một số tướng quân Byzantine và quân đội của họ phải đưa ra quyết định chung về việc tấn công hoặc rút lui. Những vấn đề phức tạp ở đây là không phải tướng quân nào cũng trung thực. Đồng thời không phải tướng quân nào cũng nhận được thông tin chính xác về quyết định của tướng quân khác.

Từ vấn đề này, khái niệm “Byzantine Fault Tolerance” (BFT) ra đời nhằm mô tả khả năng của một hệ thống để hoạt động chính xác ngay cả khi một số thành phần trong đó bị lỗi hoặc có ý đồ gian lận.

Các nhà nghiên cứu sau này đã áp dụng khái niệm câu chuyện trên vào lĩnh vực công nghệ thông tin. Từ đó xây dựng các giải pháp và hệ thống phân tán chịu lỗi Byzantine để đảm bảo tính toàn vẹn, đáng tin cậy của hệ thống trong bối cảnh có sự cố.

Khám phá cơ chế của hệ thống chịu lỗi Byzantine

Cơ chế Byzantine Fault Tolerance (BFT) được thiết kế để đảm bảo tính toàn vẹn và đáng tin cậy trong mạng lưới phân tán ngay cả khi một hoặc nhiều thành phần của hệ thống bị lỗi hoặc có ý đồ gian lận.

Cơ chế BFT hoạt động dựa trên nguyên lý đồng thuận và sự phân tách thông tin. Các phần tử trong hệ thống phân tán phải đạt được đồng thuận với nhau để thực hiện một quyết định hoặc thực hiện một giao dịch. Để đạt được đồng thuận, cơ chế BFT sử dụng các thuật toán phức tạp như thuật toán Lamport, Paxos, Raft và nhiều phương pháp khác để đảm bảo rằng các thành phần của hệ thống đạt được sự thống nhất về thông tin mà chúng nhận được.

Đặc điểm chính của cơ chế BFT là sự phân tách thông tin. Mỗi phần tử trong hệ thống chỉ cần đạt được đồng thuận từ một phần nào đó của hệ thống thay vì phải tin tưởng vào toàn bộ hệ thống. Điều này có tác dụng ngăn chặn sự ảnh hưởng của lỗi hoặc ý đồ gian lận từ một số phần tử.

Cơ chế BFT còn sử dụng các kỹ thuật mã hóa và chữ ký số để đảm bảo tính toàn vẹn của thông tin trong quá trình truyền tải và lưu trữ. Ngoài ra, cơ chế này cũng thường áp dụng nguyên tắc “chấp nhận hậu nghiệm” để xử lý các trường hợp lỗi hoặc xung đột.

Những dự án sử dụng cơ chế BFT

Stellar

Dự án Stellar là nền tảng thanh toán phân tán với mục tiêu cung cấp việc chuyển tiền giữa các người dùng với chi phí thấp và tốc độ nhanh. Stellar sử dụng mô hình Byzantine Fault Tolerance (BFT) để đảm bảo tính toàn vẹn và đáng tin cậy cho hệ thống.

Stellar sử dụng giao thức nhất quán có tên là Stellar Consensus Protocol (SCP), đây cũng là một phiên bản cải tiến của BFT. SCP cho phép các bên tham gia trong mạng lưới đạt được sự đồng thuận với nhau, kể cả khi một số thành phần của mạng lưới bị lỗi hoặc có ý đồ gian lận. Việc sử dụng SCP giúp Stellar đảm bảo tính toàn vẹn và đáng tin cậy của các giao dịch mà không cần phụ thuộc vào một bên trung gian nào.

SCP của Stellar giúp mạng lưới xác định xem một giao dịch đã được chấp nhận hay không. Nguyên tắc chung được thiết lập thông qua sự đồng thuận của nhiều thành phần trong hệ thống. Điều này giúp nâng cao tính tiên tiến và đáng tin cậy của Stellar trong việc xử lý các giao dịch.

Ripple

Dự án Ripple sử dụng mô hình Byzantine Fault Tolerance (BFT) trong hệ thống của mình để đảm bảo tính toàn vẹn và đáng tin cậy. Riêng với Ripple đã sử dụng một phương pháp giao thức đặc biệt có tên là Ripple Protocol Consensus Algorithm (RPCA). Đây cũng là phương án nổi bật được phát triển dựa trên cơ chế BFT.

RPCA của Ripple hoạt động dựa trên nguyên lý thống nhất giao dịch và việc đảm bảo sự đồng thuận trong mạng lưới phi tập trung. Các node trong mạng lưới Ripple cần phải đạt được đồng thuận về các giao dịch mới để thêm chúng vào hồ sơ giao dịch chung. RPCA sử dụng một quy trình đồng thuận có tính toàn vẹn cao để giúp ngăn chặn sự gian lận và đảm bảo rằng các giao dịch được thực hiện đúng cách, đáng tin cậy.

Bằng cách sử dụng RPCA, Ripple có thể thực hiện các giao dịch với chi phí và thời gian xử lý thấp đồng thời vẫn giữ được tính toàn vẹn và đáng tin cậy trong môi trường phân tán. Điều này giúp Ripple trở thành một trong những dự án tiên tiến hàng đầu trong lĩnh vực thanh toán phân tán sử dụng cơ chế BFT.

Một số thuật toán đồng thuận Blockchain

Proof of work

Thuật toán đồng thuận Proof of Work (PoW) là thành phần quan trọng trong việc xác nhận và thêm các khối mới vào chuỗi khối trong mạng lưới blockchain. Thuật toán này đã mang đến giải pháp xử lý vấn đề “kép không biết” (double – spending) và để đảm bảo tính toàn vẹn và an toàn của các giao dịch.

Thuật toán PoW hình thành quá trình phức tạp đòi hỏi sự tính toán kỹ lưỡng và công nghệ phần cứng mạnh mẽ để tìm ra giá trị nonce phù hợp. Đồng thời, quá trình tìm kiếm giá trị nonce hiệu quả và đồng đều giữa các nhà đào cũng tạo nên tính công bằng trong mạng lưới.

Tuy nhiên, thuật toán PoW tiêu tốn rất nhiều năng lượng và có thể dẫn đến sự cạnh tranh về tài nguyên tính toán giữa các nhà đào. Điều này trực tiếp dẫn đến vấn đề về môi trường và cạnh tranh không cần thiết. Do đó, nhiều blockchain đã chuyển sang sử dụng các phương pháp đồng thuận khác như Proof of Stake (PoS) để giảm bớt tác động tiêu cực về môi trường và tài nguyên tính toán.

Proof of Stake

Như đã giới thiệu trong phần trên, thuật toán đồng thuận Proof of Stake (PoS) được xem là phương pháp thay thế cho thuật toán Proof of Work (PoW) trong mạng lưới blockchain. PoS được thiết kế để giảm tác động tiêu tốn năng lượng của PoW và tăng tính bảo mật của chuỗi khối. Đây là cách tiếp cận phổ biến trong việc xây dựng các blockchain mới và cải thiện các mạng lưới blockchain hiện có.

Để hiểu về PoS thì chúng ta cần tìm hiểu cách mà nó hoạt động như sau:

• Chọn người tạo khối: Thay vì dựa vào quá trình tính toán để tìm ra người tạo khối (như trong PoW), PoS sẽ dựa vào việc chọn ngẫu nhiên một người dùng có số lượng token (đồng tiền) lớn để tạo khối mới. Người dùng này thường được gọi là “validator” hay “forgers” thay vì “miners”.
• Xác nhận giao dịch: Các validator sẽ sở hữu một số lượng token và sẽ đặt chúng như một phần của việc đặt cược cho đồng thuận giao dịch. Quá trình xác nhận giao dịch sẽ dựa trên việc đặt cược này và nếu họ cố gian lận hay không tuân thủ quy tắc, họ có thể mất một phần hoặc toàn bộ số lượng token mà họ đã đặt cược.
• Phát thưởng và phạt: Các validator sẽ nhận phần thưởng từ việc tạo khối mới dựa trên số lượng token mà họ sở hữu và sự tham gia tích cực vào quá trình tạo khối. Ngược lại, nếu họ vi phạm quy tắc thì họ sẽ bị phạt bằng cách mất một phần hoặc toàn bộ số lượng token mà họ đã đặt cược.

Delegated Proof of Stake

Thuật toán đồng thuận Delegated Proof of Stake (DPoS) cũng là hình thức phổ biến được sử dụng trong mạng lưới blockchain. DPoS được thiết kế để giảm tải cho các máy tính và tạo ra một mô hình quản lý đa cấp trong việc tạo khối và đưa ra quyết định trong mạng lưới.

Để áp dụng DPoS chuẩn xác thì chúng ta cần tìm hiểu cách mà nó hoạt động như sau:

• Bầu cử các nhà sản xuất khối: Trong mạng lưới DPoS, các đường sẽ bầu cử một số lượng nhất định các “nhà sản xuất khối” (block producers) từ trong cộng đồng. Nhà sản khối sẽ có trách nhiệm tạo các khối mới và xác nhận giao dịch.
• Quyền bỏ phiếu: Những người sở hữu token trong mạng lưới có khả năng bỏ phiếu để chọn ra những nhà sản xuất khối mà họ tin tưởng. Quyền bỏ phiếu tỷ lệ với số lượng token mà người dùng sở hữu.
• Đào tạo đa cấp: Các nhà sản xuất khối được chọn qua quá trình bầu cử sẽ chịu trách nhiệm tạo khối mới và kiểm tra giao dịch. Họ cũng có thể được buộc phải chịu trách nhiệm trước cộng đồng và có thể bị loại bỏ nếu họ không hoạt động đúng cách.
• Quyết định bởi đa cấp: PoS cho phép cả cộng đồng chọn ra những đại diện để thực hiện quyết định và quản lý mạng lưới thay vì để hoạt động một cách tự động như trong PoW hay PoS. Điều này tạo ra một mô hình quản lý đa cấp có tính linh hoạt và tối ưu hóa.

Proof of Authority

Proof of Authority (PoA) là thuật toán đồng thuận được sử dụng trong mạng lưới blockchain để xác nhận sự thay đổi trong chuỗi khối. PoA thường được áp dụng trong các trường hợp mạng lưới blockchain riêng tư hoặc cơ quan tư nhân, nơi có sẵn một nhóm các “ủy quyền” được xác định để tạo và xác nhận các khối giao dịch.

• Ủy quyền: Trong mạng lưới PoA, không có sự cạnh tranh giữa các nhà đào (như trong PoW) hoặc chọn lựa ngẫu nhiên (như trong PoS). Thay vào đó, một nhóm ủy quyền được xác định trước và có thể được tin cậy để tạo và xác nhận các khối.
• Nhiệm vụ ủy quyền: Các nhóm ủy quyền được phân công quyền để thực hiện các khối của họ dựa trên sự đáng tin cậy và danh tiếng của họ trong mạng lưới. Họ sẽ tạo và xác nhận các giao dịch dựa trên vai trò này.

Tạm kết

Những chia sẻ trong bài viết trên giới thiệu về hệ thống chịu lỗi Byzantine. Đây là mô hình thiết kế hệ thống phân tán nhằm đảm bảo tính toàn vẹn và đáng tin cậy của mạng lưới trong điều kiện các thành phần bị lỗi hoặc có ý đồ gian lận.

Xem thêm:

• Imunify360 là gì? Những cách bảo vệ Hosting Linux hiệu quả mà không phải ai cũng biết
• Gulp là gì? Tổng hợp những thông tin cơ bản nhất về cách sử dụng Gulp cho người mới

Tại FPT Shop cung cấp các loại laptop và điện thoại với giá cả vô cùng ưu đãi Khi khách hàng mua sản phẩm tại đây sẽ nhận được hàng loạt ưu đãi hấp dẫn tại chuỗi cửa hàng FPT Shop trên toàn quốc.

• Điện thoại Oppo