Problema dos Generais Bizantinos
A confiabilidade de um sistema computacional exige que ele mantenha a funcionalidade, mesmo na presença de componentes defeituosos. Tais componentes podem manifestar comportamentos problemáticos, especialmente ao fornecer informações incongruentes para diferentes partes do sistema. Assim surge o questionamento central do Problema dos Generais Bizantinos: como gerenciar e superar tais falhas?
Este dilema é um conceito teórico da teoria dos jogos que ilustra a complexidade de alcançar um consenso em um grupo distribuído sem um intermediário confiável. A questão é: como os integrantes de uma rede podem concordar sobre um fato específico quando não há como verificar a autenticidade dos participantes?
A teoria dos jogos, que é um modelo para analisar interações sociais em cenários de competição, fornece um arcabouço para entender como indivíduos tomam decisões estratégicas em situações onde há conflito de interesses entre partes.
A analogia dos Generais Bizantinos, oriunda dessa teoria, exemplifica o desafio: diversos generais cercam a cidade de Bizâncio e precisam coordenar um ataque simultâneo. A vitória só é assegurada se houver um consenso e atuação conjunta; caso contrário, o fracasso é iminente.
A grande barreira para a coordenação é a falta de um meio de comunicação confiável; as mensagens entre os generais podem ser interceptadas ou adulteradas pelos inimigos de Bizâncio. Como então, podem os generais sincronizar seus ataques?
Este artigo objetiva elucidar a natureza de uma falha bizantina em sistemas de blockchain e discutir estratégias para resolver o desafio imposto pelo Problema dos Generais Bizantinos.
O artigo de pesquisa
“O Problema dos Generais Bizantinos”, um estudo seminal de Leslie Lamport, Robert Shostak e Marshall Pease, foi divulgado em 1982. A relevância dessa investigação é destacada logo em seu preâmbulo, citando financiamentos de instituições renomadas como a Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA), o Comando de Sistemas de Defesa contra Mísseis Balísticos e o Escritório de Pesquisa do Exército.
Embora a questão dos generais bizantinos já fosse conhecida no campo da ciência da computação antes dessa data, este trabalho representa um dos pioneiros em propor soluções aplicáveis e paralelas. A pesquisa apresenta uma analogia onde diversas facções do exército bizantino se posicionam ao redor de uma cidade inimiga, prontas para a batalha. A comunicação entre os generais depende exclusivamente de mensageiros, e é essencial que eles estabeleçam um plano de ação consensual.
Entretanto, é preciso considerar a existência de generais traidores, cujo objetivo é sabotar as decisões unificadas dos leais. A fim de prevenir que estes traidores comprometam todo o esquema comunicacional, torna-se indispensável a implementação de um algoritmo robusto.
Para superar o desafio imposto pelo problema dos generais bizantinos, é vital que os generais leais estabeleçam um mecanismo seguro para alcançar um consenso (conhecido como consenso) e implementá-lo efetivamente (referido como coordenação). Compreender e resolver este problema nos oferece insights profundos sobre questões fundamentais. Notavelmente, embora o exemplo se concentre em comunicações militares, o escopo da problemática abrange todos os tipos de sistemas computacionais que requerem comunicações confiáveis entre nós dispersos, sejam eles computadores ou dispositivos físicos.
Compreendendo a tolerância a falhas bizantinas (BFT)
Um sistema computacional distribuído pode falhar por uma miríade de razões. No contexto militar mencionado, falhas bizantinas correspondem aos traidores que buscam desestabilizar a comunicação entre os generais aliados.
No mundo real, essas falhas podem surgir de defeitos de software, falhas de hardware ou ataques mal-intencionados. Importante ressaltar que falhas bizantinas podem ocorrer mesmo que não haja uma coordenação maliciosa por parte de agentes adversos. As redes distribuídas enfrentam desafios significativos para alcançar um consenso diante de tais adversidades.
Uma falha bizantina é caracterizada pela apresentação de sintomas distintos para diferentes observadores, sem restrições ou pressupostos sobre o tipo de comportamento que um nó pode exibir. Em qualquer sistema computacional distribuído, a presença de falhas bizantinas é praticamente uma certeza.
Por exemplo, uma falha de energia que afete todos os nós simultaneamente levanta dúvidas sobre a capacidade da rede manter uma comunicação confiável. Em uma rede suficientemente robusta, o desligamento de alguns nós não afeta significativamente a rede como um todo. A tolerância a falhas bizantinas refere-se à habilidade de um sistema em se proteger contra tais condições. Redes que apresentam maior tolerância são intrinsecamente mais seguras do que aquelas mais vulneráveis a falhas bizantinas.
A incidência e classificação dessas falhas em variados sistemas é uma área extensa e complexa de estudo. Contudo, é possível formular uma definição formal de tolerância a falhas bizantinas que atenda aos desafios impostos.
É vital reconhecer que as falhas bizantinas representam alguns dos problemas mais desafiadores e complicados de serem mitigados. A implementação de tolerância a falhas bizantinas é imprescindível em locais críticos como usinas nucleares, sistemas de aviação e em qualquer outro sistema que dependa de uma ampla gama de sensores para operar de maneira confiável.
Problema dos Generais Bizantinos em Sistemas Distribuídos
Exclusivamente sistemas descentralizados estão suscetíveis ao problema dos Generais Bizantinos devido à ausência de uma fonte confiável de informação, assim como à incapacidade de validar as informações recebidas de outros participantes na rede. Diferentemente, sistemas centralizados dependem de uma entidade reguladora para disseminar informações precisas, mitigando a disseminação de dados errôneos ou fraudulentos.
Por exemplo, no setor financeiro convencional, acredita-se que os bancos disponibilizem aos seus clientes informações exatas sobre saldos e históricos de transações. Em casos de condutas desonestas, entidades como bancos centrais ou governamentais têm autoridade para intervir e restaurar a confiança.
Sistemas centralizados não enfrentam o desafio dos generais bizantinos, escolhendo priorizar a eficiência em detrimento da confiabilidade. No entanto, são vulneráveis à corrupção da autoridade central.
Exemplo do Problema dos Generais Bizantinos
O dinheiro é uma ilustração clássica do problema dos Generais Bizantinos. Como podem as sociedades desenvolver um sistema monetário universalmente confiável e aceitável? Historicamente, sociedades recorreram a metais preciosos e itens raros, como conchas ou contas de vidro, para servirem como moeda. O ouro, em particular, ajudou a mitigar o problema dos Generais Bizantinos em contextos descentralizados, como o comércio internacional, graças à sua confiabilidade e reconhecimento generalizado.
Entretanto, a confiança no peso e na pureza do ouro manteve-se questionável. A incapacidade do ouro de solucionar completamente o problema levou à centralização da emissão monetária por entidades governamentais, que monopolizaram a cunhagem de moedas para assegurar a confiança em seu valor e autenticidade. Todavia, os sistemas centralizados também falharam em resolver integralmente o problema bizantino.
Ademais, as autoridades centrais, frequentemente governos, comprometeram a confiança ao manipular a moeda através de práticas como a inflação ou a adulteração. Para superar os desafios dos Generais Bizantinos, uma moeda deve ser verificável, resistente à falsificação e descentralizada. Esta solução só foi verdadeiramente alcançada com a invenção do Bitcoin, representando um marco na busca por uma moeda confiável e independente de autoridades centrais.
Como Resolver o Problema dos Generais Bizantinos?
A solução para o problema dos Generais Bizantinos envolve a implementação de protocolos que incorporem mecanismos de tolerância a falhas. A adoção de uma estratégia coletiva entre os generais, diante de um cenário incerto, emerge como o meio mais eficaz para tomar decisões. Isso resulta em uma abordagem probabilística, em vez de uma garantia absoluta, especialmente quando a comunicação direta entre as partes é limitada e cada um opera de forma independente, mantendo uma distância física entre eles.
O Blockchain Resolve O Problema Dos Generais Bizantinos?
O blockchain apresenta uma solução robusta para o problema dos Generais Bizantinos, visando criar um meio seguro de comunicação num contexto onde a maioria das transações ocorre entre indivíduos que não se conhecem ou confiam mutuamente. Neste cenário, cada pessoa atua como um general, tomando decisões críticas de maneira isolada, sem intermediários para facilitar ou garantir a ação.
O blockchain estabelece uma camada de confiança eliminando a necessidade de confiar em cada entidade individualmente. Isso é alcançado por meio de uma rede de nós que se unem para validar e concordar sobre a veracidade das informações antes de serem registradas. Caso haja incertezas quanto ao conteúdo das comunicações, outros nós podem verificar a sua autenticidade com base em dados previamente confirmados.
Uma vez que um registro é adicionado ao blockchain, ele é replicado em todos os outros nós, garantindo redundância e resistência à perda ou corrupção de dados. O algoritmo de consenso, como o Proof of Work (PoW), desempenha um papel vital nesse processo, visando mitigar tentativas de manipulação do sistema.
Além disso, com a finalidade de garantir a segurança em um sistema de uso público, o blockchain integra mecanismos robustos de tolerância a falhas e segurança. A criptografia é essencial nesse processo, protegendo as comunicações contra alterações indesejadas. O sistema utiliza pares de chaves para a assinatura digital das mensagens, permitindo a verificação da origem e autenticidade das informações. Após a autenticação, os registros são mantidos para garantir transparência e fornecer um histórico imutável que assegura a responsabilidade das partes envolvidas.
Como o Bitcoin Soluciona o Problema dos Generais Bizantinos?
O Bitcoin representa a primeira implementação bem-sucedida de uma solução para o problema dos Generais Bizantinos no contexto monetário. Diversas iniciativas tentaram estabelecer uma forma de dinheiro autônomo antes do surgimento do Bitcoin, mas todas encontraram obstáculos significativos.
Para gerenciar a propriedade e evitar a duplicidade de gastos como um sistema monetário, o Bitcoin utiliza um blockchain, ou um registro público distribuído, que mantém um histórico completo de todas as transações efetuadas. Na analogia do problema dos Generais Bizantinos, a blockchain é a verdade consensual que todas as partes devem aceitar.
Se todos os nós na rede Bitcoin puderem chegar a um acordo sobre as transações realizadas, seus momentos e sequências, será possível verificar a propriedade do Bitcoin e, consequentemente, viabilizar um sistema monetário funcional e independente, sem necessidade de uma entidade central.
Prova de Trabalho (PoW) e o Problema dos Generais Bizantinos
Com a publicação do primeiro whitepaper do Bitcoin por Satoshi Nakamoto em outubro de 2008, uma nova solução para o problema dos Generais Bizantinos foi proposta, sendo implementada em janeiro de 2009 com o lançamento da rede Bitcoin.
Satoshi propôs o uso de segurança criptográfica e criptografia de chave pública para lidar com o problema dos Generais Bizantinos em uma rede digital. A segurança criptográfica emprega técnicas de hashing para proteger os dados contra manipulações, enquanto a criptografia de chave pública é usada para verificar a identidade dos usuários da rede.
As transações são seguradas em blocos que se conectam entre si através de seus valores hash. Todos esses hashes podem ser rastreados até o bloco inicial, conhecido como bloco gênese. A blockchain utiliza uma estrutura de Merkle Tree para validar os hashes originados deste bloco.
Os mineradores validam os blocos ao competir entre si na resolução de complexos quebra-cabeças criptográficos, como parte do método de consenso de prova de trabalho (PoW). Para incluir informações na blockchain, um usuário precisa demonstrar que dedicou um esforço considerável na criação do bloco, o que desencoraja a disseminação de informações falsas devido ao alto custo envolvido.
No ecossistema do Bitcoin, divergências ou adulterações de informações são inadmissíveis, pois o sistema possui regras claras e objetivas. Tanto a seleção de quem pode adicionar novos Bitcoins quanto as regras que determinam a validade das transações são transparentes e imparciais. Adicionalmente, uma vez adicionado à blockchain, um bloco se torna parte de um histórico imutável.
Portanto, os mineradores desempenham um papel semelhante ao dos generais na abordagem de Satoshi para o blockchain, com cada nó responsável por validar transações, comparáveis às mensagens enviadas aos generais. Invasores, como hackers, que tentam comprometer ou corromper a rede, são vistos como adversários.
Os hackers enfrentam dificuldades significativas para atacar o blockchain devido ao uso extensivo de segurança criptográfica. As mensagens, ou transações, são agrupadas em blocos e criptografadas para prevenir alterações maliciosas. Satoshi introduziu um elemento probabilístico ao envolver os mineradores em uma competição para validar blocos, promovendo descentralização e prevenindo a monopolização da validação.
Os mineradores competem utilizando seu poder computacional, conhecido como taxa de hash, para resolver enigmas. O primeiro a resolver o quebra-cabeça e transmitir a solução para a rede tem sua resposta validada ou rejeitada pelos demais, com base em uma meta de dificuldade predefinida.
Assim, os membros da rede Bitcoin podem manter um consenso sobre o estado da blockchain e todas as transações registradas a qualquer momento. Se um membro tentar transmitir dados falsos, eles serão identificados como inválidos e ignorados pela rede. Isso elimina a necessidade de confiança mútua entre os membros, pois cada nó tem a capacidade de verificar independentemente todas as informações disponíveis, tornando o Bitcoin um sistema autossuficiente e descentralizado.
A redundância é mais um aspecto crucial da blockchain, com os blocos sendo armazenados em um banco de dados distribuído replicado por toda a rede. Tal redundância contribui para a tolerância a falhas, assegurando que a falha de um único computador não comprometa o sistema como um todo. Isso é equivalente a ter vários mensageiros em caso de emboscadas pelo inimigo, garantindo que a mensagem sempre possa ser entregue.
Novas Soluções: Prova de Participação (PoS) e Prova de Participação Delegada (DPoS)
PoS é uma metodologia de consenso em blockchain introduzida em 2012 para enfrentar o problema dos Generais Bizantinos. Diferentemente das redes que utilizam Prova de Trabalho (PoW), que requerem mineração, as redes PoS operam através de um processo conhecido como Staking.
Neste sistema, os usuários, denominados validadores, comprometem seus recursos financeiros. Os validadores com maior quantidade de criptomoedas na blockchain têm o poder de validar mais blocos e, consequentemente, obter maiores recompensas. Por outro lado, aqueles que tentarem validar transações falsas estão sujeitos a perder os fundos comprometidos.
Usuários podem realizar Staking utilizando computadores pessoais comuns, dispensando a necessidade de equipamentos especializados exigidos nas redes PoW. Várias redes PoS têm implementado estratégias para mitigar ataques de gasto duplo e outras vulnerabilidades de segurança relacionadas a falhas bizantinas. Um exemplo é o Ethereum 2.0 (Serenity), que adotará o algoritmo Casper PoS, exigindo o consentimento de dois terços dos nós para a criação de um bloco.
Prova de Participação Delegada (DPoS), por sua vez, é um modelo de consenso em blockchain desenvolvido em 2014. Assim como o PoS, o DPoS exige que os usuários comprometam seus recursos financeiros. No entanto, em redes DPoS, apenas alguns usuários, conhecidos como delegados, são autorizados a validar transações e produzir blocos.
Geralmente, qualquer usuário de uma blockchain pode usar suas criptomoedas para votar e apoiar um candidato a delegado. As recompensas por blocos são frequentemente distribuídas proporcionalmente entre os eleitores dos delegados eleitos, de acordo com o valor que cada um comprometeu.
DPoS permite que os nós cheguem a um consenso muito mais rapidamente em comparação com PoW ou PoS. Isso significa que, em teoria, as transações podem ser processadas com maior velocidade. No entanto, manter um alto grau de tolerância a falhas bizantinas com DPoS pode ser desafiador em alguns cenários devido a compensações.
Como menos nós são encarregados de assegurar a segurança da rede, torna-se mais factível para um grupo pequeno de nós conspirar contra os interesses da maioria. Para prevenir tal cenário, redes DPoS realizam eleições regulares de delegados, assegurando que estes sejam responsabilizados por suas ações.
Conclusão
A questão “O Blockchain resolve o problema dos Generais Bizantinos?” tem uma resposta afirmativa. A tecnologia blockchain, através de seu design inovador e mecanismos de consenso como Prova de Trabalho (PoW), Prova de Participação (PoS) e Prova de Participação Delegada (DPoS), oferece soluções robustas para os desafios apresentados pelo problema dos Generais Bizantinos.
O blockchain permite a criação de um sistema descentralizado onde os participantes podem chegar a um consenso sobre a veracidade e a ordem das transações, mesmo em um ambiente onde alguns participantes podem agir de maneira maliciosa. Através da utilização de técnicas criptográficas e mecanismos de consenso, a tecnologia assegura que todas as partes concordem com uma única versão da verdade, garantindo a integridade e a imutabilidade das informações.
O Bitcoin, como o primeiro uso bem-sucedido do blockchain para criar uma moeda digital descentralizada, demonstrou na prática como a tecnologia pode superar as limitações dos sistemas anteriores e oferecer um método seguro e confiável para transações digitais. Além disso, inovações subsequentes, como PoS e DPoS, continuam a evoluir a maneira como o blockchain aborda o problema, otimizando o processo de consenso e tornando-o mais eficiente e menos custoso em termos de recursos.
No entanto, é importante notar que, embora o blockchain ofereça soluções significativas para o problema dos Generais Bizantinos, ele não é infalível e ainda está sujeito a desafios e limitações. A segurança e a eficácia de uma blockchain dependem da implementação correta do seu mecanismo de consenso e da participação honesta da maioria dos seus usuários. Além disso, questões como a centralização em DPoS e o enorme consumo de energia em PoW são desafios contínuos que a comunidade está trabalhando para resolver.
O blockchain representa um avanço significativo na resolução do problema dos Generais Bizantinos, oferecendo um caminho promissor para sistemas descentralizados e seguros. À medida que a tecnologia continua a evoluir e amadurecer, é provável que encontremos abordagens ainda mais inovadoras e eficientes para alcançar o consenso em um ambiente digital.