Byzantine Fault Tolerance (BFT) là gì? Chìa khóa bảo vệ blockchain

Blockchain là một mạng lưới phân tán với tính chất ẩn danh, giúp bảo vệ tối đa danh tính người dùng. Thế nhưng, chính sự phân tán này cũng tạo ra một số điểm yếu, có thể khiến blockchain bị chậm trễ hoặc thậm chí ngưng hoạt động. Để khắc phục những vấn đề này, cơ chế Byzantine Fault Tolerance (BFT) đã được phát triển nhằm bảo vệ blockchain khỏi các sự cố và gián đoạn không mong muốn. Vậy BFT là gì? Cùng Bybit khám phá chi tiết qua bài viết này nhé.

Tìm hiểu Byzantine Fault Tolerance (BFT) là gì?

Byzantine Fault Tolerance (BFT) định nghĩa khả năng của một hệ thống phân tán để đạt được đồng thuận chính xác mặc dù tồn tại các node có thể gửi thông tin sai lệch hoặc không hợp tác. Cụ thể, BFT khi được áp dụng trong blockchain tăng cường tính nhất quán và bảo mật mạng bằng cách xử lý và ngăn chặn các hành vi sai trái từ các nút thuộc loại Byzantine fault.

Thuật ngữ "Byzantine" xuất phát từ bài toán các Tướng Byzantine, mô tả khó khăn trong việc phối hợp hành động khi thông tin có thể bị làm giả hoặc bị gián đoạn. Hệ thống chịu được lỗi Byzantine được xem là có khả năng chống lại các lỗi phức tạp và các hành vi tấn công tinh vi, đây là một yêu cầu thiết yếu để duy trì sự tin cậy trong mạng phân tán như blockchain.

BFT là khả năng của một hệ thống phân tán để đạt được đồng thuận chính xác

Ví dụ: BFT là hệ thống đồng thuận mà trong đó các node trong mạng phối hợp để đạt được quyết định chung ngay cả khi có một số node gian lận. Chẳng hạn, một mạng blockchain gồm 7 node, BFT yêu cầu ít nhất 5 trong số đó (hơn 2/3) phải đồng ý về một trạng thái giao dịch để khối được chấp nhận và thêm vào chuỗi. Trong trường hợp một vài node gửi thông tin sai lệch hoặc không phản hồi, các node trung thực vẫn bảo vệ được tính nhất quán của blockchain.

Một minh họa thực tiễn là các hệ thống blockchain như Stellar ứng dụng BFT qua giao thức Stellar Consensus Protocol, giúp xác minh giao dịch chuyển tiền nhanh chóng và chính xác dựa trên nguyên tắc đồng thuận của các nút mạng. Quá trình này bao gồm: một node được chọn làm “leader” đề xuất khối mới; các node khác kiểm tra và biểu quyết chấp nhận khối đó. Nếu đa số đồng thuận, khối được thêm vào chuỗi, ngược lại sẽ bị từ chối.

Các thành phần chính và cách thức hoạt động của BFT

Byzantine Fault Tolerance (BFT) được cấu tạo từ hai thành phần chính là Node lead và Replica, cả hai phối hợp chặt chẽ để bảo vệ tính liên tục và nhất quán của blockchain. Node lead giữ vai trò thủ lĩnh, điều phối quá trình đồng thuận, quản lý và đồng bộ các hoạt động của các Replica. Trong khi đó, các Replica chịu trách nhiệm phân phối, lưu trữ, sao chép và xử lý các yêu cầu trong mạng lưới.

Node lead và Replica cùng tạo thành khuôn mẫu đồng thuận; chỉ khi tất cả các node trong mạng thống nhất theo khuôn mẫu này thì quá trình đồng thuận mới được xác nhận và chấp nhận. Mỗi node có một khoảng thời gian giới hạn (deadline) để hoàn thành việc đồng thuận, nếu quá thời gian này, node sẽ bị loại khỏi phiên đồng thuận.

Quá trình đồng thuận diễn ra bắt đầu từ việc một hoặc một số node tạo đề xuất khối mới, sau đó các đề xuất này được gửi đến các node còn lại trong mạng. Các node nhận được đề xuất sẽ kiểm tra tính hợp lệ và biểu quyết đồng ý hoặc bác bỏ. Khi đa số node đạt được sự nhất trí, đồng thuận được xác nhận và khối mới được thêm vào blockchain.

Như vậy, mô hình hoạt động của BFT với hai thành phần Node lead và Replica phối hợp đảm bảo cho blockchain duy trì được sự an toàn, nhất quán và liên tục hoạt động ngay cả khi có những node trong hệ thống bị lỗi hoặc hành xử sai lệch.

Giải quyết bài toán đồng thuận khó khăn kéo dài 50 năm qua blockchain

Bài toán đồng thuận Byzantine là một thách thức lớn kéo dài hơn 50 năm, đặt ra câu hỏi làm sao các thành viên trong mạng phân tán có thể cùng đồng thuận trong khi một số node có thể gửi thông tin sai lệch hoặc gian lận. Bài toán này mô phỏng tình huống các vị tướng Byzantine cố gắng phối hợp hành động trong khi có kẻ phản bội trong nhóm. Đây là nguyên nhân cốt lõi khiến việc xây dựng hệ thống phân tán đáng tin cậy trở nên phức tạp.

Bài toán đồng thuận Byzantine là một thách thức lớn kéo dài hơn 50 năm

Blockchain đã giải quyết bài toán này bằng cách áp dụng cơ chế Byzantine Fault Tolerance (BFT) để duy trì sự đồng thuận chính xác trong môi trường phân tán phi tập trung. BFT cho phép các node trung thực đạt được đồng thuận, bất chấp sự tồn tại của các node sai lệch, đảm bảo tính nhất quán và bảo mật cho dữ liệu trên chuỗi. Mạng blockchain nhờ vậy có thể hoạt động ổn định và hạn chế lỗi, bất chấp các tấn công từ bên trong.

Ví dụ điển hình nhất là blockchain Bitcoin sử dụng Proof of Work (PoW) để hoạt động như một cơ chế đồng thuận chịu lỗi Byzantine, trong khi nhiều blockchain khác như Hyperledger và Tendermint sử dụng bản chất BFT để đạt được hiệu quả đồng thuận nhanh và tiết kiệm tài nguyên hơn. Nhờ vậy, bài toán đồng thuận kéo dài hàng thập kỷ đã được giải quyết hiệu quả trên môi trường phân tán hiện đại.

Không chỉ dừng lại ở giải pháp kỹ thuật, các cơ chế đồng thuận BFT còn giúp nâng cao độ tin cậy và mở rộng ứng dụng của blockchain trong nhiều lĩnh vực như tài chính, chuỗi cung ứng, và chính phủ điện tử, mở ra kỷ nguyên mới cho công nghệ sổ cái phân tán này.

So sánh hệ thống vận hành tập trung và phi tập trung (Centralized and Decentralized)

Hệ thống tập trung vận hành bằng cách duy trì toàn bộ quyền kiểm soát và lưu trữ dữ liệu tại một điểm hoặc số ít điểm, điều này tạo ra điểm yếu dễ bị tấn công và thất bại do sự phụ thuộc quá lớn. Ngược lại, hệ thống phi tập trung phân phối quyền kiểm soát và dữ liệu tới nhiều node khác nhau, tăng khả năng chịu lỗi và tính bảo mật của mạng.

Sự khác nhau giữa hệ thống vận hành tập trung và phi tập trung

BFT đóng vai trò chủ chốt trong môi trường phi tập trung, giúp các node phối hợp để loại bỏ nút gian lận và đạt đồng thuận chính xác. Mô hình phân cấp không những giảm thiểu rủi ro có điểm thất bại duy nhất mà còn thúc đẩy sự minh bạch và độ tin cậy trên blockchain. Dưới đây so sánh một số đặc điểm then chốt của hai mô hình này:

Các thuật toán đồng thuận phổ biến liên quan đến BFT trong blockchain

3 thuật toán đồng thuận phổ biến liên quan đến BFT

Thuật toán đồng thuận là trung tâm của cơ chế BFT và bao gồm các giao thức như PBFT, Proof of Work (PoW), và Proof of Stake (PoS). PBFT được thiết kế để tối ưu việc đồng thuận trong hệ thống có node Byzantine với độ trễ thấp và hiệu quả cao, phù hợp với các mạng blockchain riêng tư hoặc permissioned.

PoW vận hành dựa trên việc giải các bài toán tính toán phức tạp, mang lại tính bảo mật thông qua chi phí tài nguyên lớn, nhưng có độ trễ và tiêu thụ năng lượng cao. PoS dựa trên việc chọn các node dựa vào lượng token đang nắm giữ, giúp tiết kiệm tài nguyên và nâng cao hiệu suất. Bảng dưới đây tóm tắt các đặc điểm chính của các thuật toán này:

Tầm quan trọng của node và ảnh hưởng của các nút gian lận trong mạng BFT

Node trung thực là thành phần thiết yếu giúp mạng lưới blockchain đạt được sự đồng thuận chính xác và duy trì tính toàn vẹn dữ liệu. Cụ thể, các nút gian lận trong mạng BFT có tầm quan trọng như sau:

• Node trung thực đóng vai trò then chốt trong việc phối hợp và trao đổi thông tin để đạt được sự đồng thuận trong hệ thống BFT, giúp duy trì tính nhất quán và ổn định của blockchain.

• Các node trong mạng BFT cần ít nhất 2/3 số lượng node phải trung thực để đảm bảo mạng có thể hoạt động bình thường ngay cả khi có các node gian lận hoặc lỗi Byzantine.

• Quy trình đồng thuận diễn ra qua các bước như đề xuất, kiểm tra, và biểu quyết; nếu một node không đồng thuận hoặc không phản hồi đúng thời hạn, node đó sẽ bị loại khỏi quá trình để tránh ảnh hưởng đến kết quả chung.

• Nút gian lận có thể gửi thông tin sai lệch hoặc cố tình gây nhiễu để làm gián đoạn, giảm độ tin cậy hoặc dẫn đến sai lệch trong hệ thống ghi nhận dữ liệu blockchain.

• Cơ chế BFT có khả năng phát hiện và cách ly các nút gian lận qua việc kiểm tra chéo và biểu quyết giữa các node trung thực, đảm bảo rằng hành vi sai lệch không làm thay đổi kết quả đồng thuận cuối cùng.

• Sự xuất hiện của các nút gian lận nếu không được kiểm soát có thể làm giảm hiệu suất mạng, tạo ra độ trễ hoặc gây ra nhánh blockchain (fork), ảnh hưởng đến tính bảo mật và nhất quán dữ liệu.

• BFT bảo vệ hệ thống trước các tấn công từ bên trong mạng bằng cách giới hạn số lượng lỗi Byzantine mà mạng có thể chịu đựng đồng thời vẫn duy trì hoạt động đúng đắn.

• Các node trung thực giữ vai trò xác minh, lưu trữ và tái tạo dữ liệu giao dịch, góp phần xây dựng sự tin cậy trong mạng phân tán và hỗ trợ tăng cường bảo mật toàn hệ thống.

• Các nút gian lận khi bị phát hiện sẽ bị loại trừ khỏi việc quyết định đồng thuận, đồng thời các thuật toán BFT liên tục điều chỉnh để giảm thiểu sự ảnh hưởng tiêu cực của chúng.

• Sự phối hợp và trách nhiệm của các node trung thực tạo thành cơ chế kiểm soát phân tán, đảm bảo rằng blockchain vận hành bền vững dù có sự xuất hiện của những node không trung thực.

Những điểm này mô tả rõ ràng vai trò thiết yếu của các node trong mạng BFT và cách thức hệ thống duy trì sự ổn định, bảo mật, đồng thời phòng ngừa những ảnh hưởng tiêu cực từ các nút gian lận.​

Qua bài viết trên, Bybit đã nêu lên được tầm quan trọng của Byzantine Fault Tolerance (BFT) trong việc đảm bảo tính ổn định, an toàn và nhất quán của blockchain trước những lỗi và hành vi gian lận từ các node trong mạng. Cơ chế BFT giải quyết triệt để bài toán đồng thuận kéo dài hàng thập kỷ, giúp mạng lưới phân tán duy trì hoạt động liên tục ngay cả khi có các node không trung thực hoặc bị lỗi. Nhờ vậy, blockchain mới có thể trở thành một hệ thống tin cậy, minh bạch và phi tập trung trên quy mô toàn cầu. Hiểu và áp dụng hiệu quả BFT sẽ là chìa khóa mở ra tương lai phát triển mạnh mẽ của công nghệ blockchain trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Lưu ý: Nội dung trên chỉ nhằm mục đích cung cấp thông tin, không phải lời khuyên đầu tư. Người đọc nên tự tìm hiểu và cập nhật thông tin mới nhất trước khi đưa ra quyết định.