暗号通貨はピア・ツー・ピア・ネットワーク上で動作する分散型デジタル資産です。つまり、ネットワーク内のノードがシステムのセキュリティと整合性を維持する責任があります。これらのネットワークが直面する主要な課題の1つは、合意の問題、つまり、すべてのノードがシステムの状態に同意する方法です。ビザンチン障害耐性（BFT）は、この課題に対処するのに役立つ合意メカニズムです。この記事では、BFTとは何か、どのように動作するのか、その利点について説明します。

コンセンサスとは何ですか？

コンセンサスは、特に暗号通貨において、分散型ネットワークの重要な要素です。単純に言えば、コンセンサスとは、ネットワーク内の個人やノードのグループが特定の意思決定や取引に合意するプロセスを指します。暗号通貨では、コンセンサスが重要であり、すべてのノードがシステムの状態に同意し、悪意のある行為者がネットワークを改ざんできないようにします。

分散型ネットワークにおいて合意を形成することは、いくつかの要因により困難です。まず、分散型ネットワークには中央の権威や意思決定者がいないため、ノード間で信頼関係を築くことが難しいです。次に、ネットワーク内のノードは世界中の異なる場所に位置し、異なる利益を持っている可能性があり、特定の決定に合意に達することが難しいです。最後に、ネットワークは悪意のある行為者による攻撃を受けやすく、合意プロセスを妨害し、システムを操ることを目的とする可能性があります。

分散型ネットワークにおける合意形成の主要な課題の1つは、「ビザンチン将軍問題」です。これは、特定の行動方針に合意しなければならない将軍のグループが、一部の将軍がグループに逆らっている裏切り者であるかもしれないという仮想的なシナリオを指します。このようなシナリオでは、忠実な将軍全員が同じ行動方針に同意することが不可欠であり、裏切り者がシステムを混乱させるのを防ぐためです。

分散型ネットワークでは、ビザンチン将軍の問題はビザンチン障害耐性（BFT）問題として知られています。BFTは、悪意のあるノードや障害が存在しても、分散型ネットワークがコンセンサスに達する能力を指します。これは、ブロックチェーン技術の重要な要素であり、すべてのノードがシステムの状態に同意し、トランザクションが安全であることを保証します。

分散型ネットワークにおいてコンセンサスを達成するために、異なるコンセンサスメカニズムが開発されています。これにはプルーフ・オブ・ワーク（PoW）、プルーフ・オブ・ステーク（PoS）、およびデリゲートされたプルーフ・オブ・ステーク（DPoS）などが含まれます。それぞれのメカニズムには長所と短所があり、異なるブロックチェーンアプリケーションに適しています。

PoWでは、マイナーは複雑な数学問題を解決してトランザクションを検証し、新しいブロックをブロックチェーンに追加するために競い合います。問題を最初に解決したマイナーが報酬を受け取り、ブロックをチェーンに追加できます。ただし、PoWには膨大な計算能力が必要であり、エネルギーを大量に消費し、遅くなります。

PoSでは、検証者は保有しているコインの数に基づいて選ばれ、取引の検証および新しいブロックの追加を担当します。PoSはPoWよりもエネルギーを消費せず、より速く動作しますが、大量のコインを保有する悪意のあるアクターによる攻撃に対して脆弱であることがあります。

DPoSはPoSに似ていますが、検証者はコイン保有者によって選出され、彼らは取引を検証し、新しいブロックをチェーンに追加する責任があります。DPoSはPoWやPoSよりも高速でエネルギー効率が良いですが、検証者間の共謀に対して脆弱な場合があります。

これらのコンセンサスメカニズムの強みにもかかわらず、すべてのブロックチェーンアプリケーションに適しているとは限らず、特に高いセキュリティと信頼性が求められるものには向いていないかもしれません。これがビザンチン障害が登場する場面であり、分散型ネットワークにおいてコンセンサスを達成するためのより堅牢で安全なメカニズムを提供しています。

ビザンチン障害耐性（BFT）とは何ですか？

ビザンチン障害耐性（BFT）は、故障しているか悪意のあるノードが存在する場合でも、分散型ネットワークが合意に達するためのコンセンサスメカニズムです。BFTは、1982年にレスリー・ランポート、ロバート・ショスタック、マーシャル・ピースによって初めて紹介されました。彼らの論文「ビザンチン将軍問題」でインスピレーションを受けました。この論文は、将軍たちが特定の行動方針に合意しなければならないという仮想的なシナリオ、つまり一部の将軍がグループに逆らっている可能性があるビザンチン将軍の問題に触発されました。

BFTは、特定の決定や取引が有効と見なされる前にネットワーク内のすべてのノードが合意することを確実にすることによって機能します。 BFTベースのシステムでは、すべてのノードが互いに通信し、合意に至るためにメッセージを交換します。 各ノードはブロックチェーンまたは台帳のコピーを持ち、取引を検証してからチェーンに追加します。

ネットワークが誤動作または悪意のあるノードに耐えられるようにするために、BFTでは、決定またはトランザクションが有効と見なされる前に、ある閾値のノードが合意することが求められます。この閾値はビザンチン障害耐性の閾値として知られており、ネットワークのサイズや複雑さに応じて異なります。たとえば、3つのノードから成るネットワークでは、閾値は2になる場合があります。これは、2つのノードが合意した場合にのみ、決定またはトランザクションが有効と見なされることを意味します。

BFTは、Practical Byzantine Fault Tolerance（PBFT）、Federated Byzantine Agreement（FBA）、およびByzCoinなど、さまざまな方法で実装することができます。PBFTは許可されたブロックチェーンネットワークで広く使用されているBFTベースの合意メカニズムで、ノードをプライマリ、バックアップ、レプリカノードに分割することによって機能します。プライマリノードはトランザクションリクエストを収集し、検証のためにそれらをバックアップノードに送信する前にそれらを順番に並べる責任があります。バックアップノードがトランザクションを検証すると、承認をプライマリノードに戻し、その後、承認されたトランザクションをレプリカノードに実行するためにブロードキャストします。

FBAは、StellarやRippleを含む分散システムで広く使用されているBFTベースのコンセンサスメカニズムです。ノードが特定の決定や取引に投票できるように機能します。一定数のノードがその決定に同意すれば、それは有効と見なされます。

ByzCoinは、ByzCoinブロックチェーンネットワークで使用されるBFTベースのコンセンサスメカニズムです。ノードが特定のトランザクションや意思決定に投票することで機能します。一定のノードの閾値がトランザクションに同意すると、それは有効と見なされ、ブロックチェーンに追加されます。

ビザンチン障害耐性はどのように機能しますか？

ビザンチン障害耐性（BFT）システムでは、検証者はネットワークがコンセンサスに達するのを確認するために重要な役割を果たします。検証者は、ブロックチェーンに追加される前に取引やブロックを検証する責任があります。これらの検証者は、ネットワークのノードから特定の基準（評判やネットワークへのステークなど）に基づいて選択されます。

バリデーターが選択されると、ブロック検証プロセスが開始されます。BFTでは、ブロックは複数段階のプロセスを通じて検証されます。まず、バリデーターがブロックを提案し、それが他のバリデーターにブロードキャストされます。各バリデーターはブロックを検証し、その承認または拒否を他のバリデーターにブロードキャストします。

コンセンサスを達成するには、ある閾値の検証者がブロックを承認する必要があります。この閾値は通常、ネットワーク内の検証者総数の3分の2で設定されます。閾値が満たされると、ブロックは有効と見なされ、ブロックチェーンに追加されます。

BFTのブロック検証プロセスは、障害に耐えるよう設計されており、誤動作または悪意のある検証者の存在に耐えることができます。もし検証者が悪意を持っていると判明した場合、その検証者はネットワークから削除され、代わりに新しい検証者が選択されることがあります。

BFTの主な利点の1つは最終性です。最終性とは、ブロックがブロックチェーンに追加されると、それを削除または変更できないことを意味します。他の合意メカニズム（例：Proof of Work（PoW））では、ブロックは一定レベルの信頼性を持ってチェーンに追加されると有効と見なされます。しかし、悪意のあるアクターがネットワークを制御した場合、ブロックが削除または変更される可能性が常にわずかにあります。BFTは、ブロックがチェーンに追加されると、それが最終的で変更できないことを保証することで、この可能性を排除します。

BFTを達成するには、特定の数のバリデータによってブロックが確認される必要があります。ブロックが確認されると、それは最終確定され、変更することはできません。これにより、ネットワークのセキュリティレベルが向上し、高い信頼性とセキュリティが必要なアプリケーションに適しています。

ビザンチン障害耐性の利点は何ですか？

ビザンチン障害耐性（BFT）は他のコンセンサスメカニズムに比べていくつかの利点があります。BFTの最も重要な利点の1つは、迅速かつ信頼性の高いコンセンサスを達成できる能力です。これにより、高速なトランザクション処理時間と高い信頼性が必要なアプリケーションに適しています。たとえば、金融取引やサプライチェーン管理などが該当します。

BFTのもう一つの利点は、悪意のある行為者からの攻撃に耐える能力です。 BFTは耐障害設計されており、ある数の検証者が侵害された場合でも機能を継続できるという意味です。これにより、高いセキュリティレベルを要求するアプリケーションにとって、非常に安全で攻撃に対して耐性があるため、人気の選択肢となっています。

BFTは、多くの取引やユーザーを処理できる高いスケーラビリティも備えています。このスケーラビリティは、並列処理やシャーディング技術を使用することで実現され、ネットワークが複数の取引を同時に処理できるようにします。

BFTの実際の例には、リップルプロトコルとテンダーミントコンセンサスアルゴリズムが含まれます。リップルは、その検証者の間で合意を得るためにBFTの変種であるリップルプロトコルコンセンサスアルゴリズム（RPCA）を使用しています。これにより、リップルは世界で最も高速で信頼性のある支払いネットワークの1つとなり、秒間数千取引を処理することができました。

Tendermintは、BFTベースのコンセンサスアルゴリズムの別の例です。CosmosやBinance Smart Chainなど、いくつかのブロックチェーンネットワークで使用されています。 Tendermintは非常にスケーラブルで、1秒あたり数千件の取引を処理できる能力を持っており、高トラフィックのアプリケーションでの使用に適しています。

BFTの実際の世界での活用の別の例は、Hyperledger Fabricブロックチェーンプラットフォームです。Hyperledger Fabricは、その検証者間で合意を達成するために実用的なビザンチン障害耐性（PBFT）と呼ばれるBFTの改変バージョンを使用しています。これにより、高いセキュリティレベルと拡張性が必要な企業向けアプリケーションで人気の選択肢となっています。

結論

ビザンチン障害耐性は、分散ネットワークのセキュリティと完全性を確保するのに役立つ重要なコンセンサスメカニズムです。ビザンチン障害を処理し、分散システムで合意を形成する能力は、多くのブロックチェーンアプリケーションで人気の選択肢となっています。仮想通貨が進化し続ける中、BFTはコンセンサスの風景の重要な一部として残る可能性が高いです。