tolerância a falhas bizantinas

A Tolerância a Falhas Bizantinas (BFT) é um mecanismo tolerante a falhas desenvolvido para sistemas distribuídos, capaz de resistir a comportamentos maliciosos por parte dos nós. Tem origem no “Problema dos Generais Bizantinos” da ciência informática, que descreve como alcançar consenso em sistemas distribuídos quando alguns nós podem enviar informações incorretas ou falhar por completo. Em redes blockchain, a BFT permite manter a consistência e segurança da rede, mesmo quando uma determinada percentagem de nós é maliciosa ou apresenta falhas.

Contexto: Origem da Tolerância a Falhas Bizantinas

A teoria da Tolerância a Falhas Bizantinas remonta a 1982, quando Leslie Lamport, Robert Shostak e Marshall Pease apresentaram o “Problema dos Generais Bizantinos” num artigo científico. O problema recorre à metáfora do exército do Império Bizantino, ilustrando uma situação em que vários generais devem coordenar ações, embora alguns possam ser traidores.

Antes do surgimento da tecnologia blockchain, a Tolerância a Falhas Bizantinas já era aplicada em sistemas com elevadas exigências de fiabilidade, como controlo aeroespacial e centrais nucleares. Com a evolução dos registos distribuídos, algoritmos BFT passaram a integrar mecanismos de consenso na blockchain, tornando-se uma tecnologia essencial para resolver questões de confiança em redes descentralizadas.

Durante o desenvolvimento da blockchain, surgiram diversas variantes melhoradas, como Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT), Federated Byzantine Agreement (FBA) e Delegated Byzantine Fault Tolerance (dBFT), implementadas em projetos de blockchain como Hyperledger Fabric, Stellar e NEO.

Funcionamento: Como opera a Tolerância a Falhas Bizantinas

Os mecanismos de consenso BFT baseiam-se em modelos matemáticos rigorosos e protocolos de troca de informação, percorrendo as seguintes etapas principais:

1. Eleição de líder: O sistema seleciona um nó principal (líder) por rotação ou votação para propor novos blocos ou transações.

2. Fase de proposta: O nó líder agrega as transações recolhidas e transmite a proposta a todos os nós validadores.

3. Fase de pré-votação: Os nós validadores verificam a proposta e enviam os seus votos aos restantes nós da rede.

4. Fase de pré-compromisso: Os nós reúnem informações de pré-votação e, ao receberem mais de 2/3 de pré-votos idênticos, entram em estado de pré-compromisso e comunicam essa decisão.

5. Fase de compromisso: Quando um nó recebe mais de 2/3 das mensagens de pré-compromisso, o consenso é confirmado e o bloco é registado na cadeia local.

Em geral, sistemas tolerantes a falhas bizantinas suportam até 1/3 dos nós maliciosos. Assim, desde que mais de 2/3 dos nós sejam honestos e funcionem corretamente, o sistema mantém a operação normal e atinge consenso.

As variantes dos algoritmos BFT distinguem-se pelas suas implementações específicas, por exemplo:

• PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerance): Reduz a complexidade das comunicações, tornando-se mais prático
• Tendermint: Integra características blockchain, otimizando desempenho e escalabilidade do PBFT
• HotStuff: Simplifica ainda mais a complexidade das mensagens, adotado pela Libra/Diem da Facebook

Riscos e desafios da Tolerância a Falhas Bizantinas

Apesar de proporcionar garantias de segurança robustas em sistemas distribuídos, a Tolerância a Falhas Bizantinas enfrenta diversos desafios:

1. Limitações de escalabilidade: Os algoritmos BFT tradicionais apresentam complexidade de comunicação O(n²), ou seja, o número de mensagens cresce quadraticamente com o aumento dos nós, limitando a escala da rede.

2. Suposições de sincronismo de rede: Muitos algoritmos BFT dependem de pressupostos de sincronismo total ou parcial, difíceis de garantir em ambientes reais de internet.

3. Riscos de ataques Sybil: Em redes abertas, atacantes podem criar múltiplas identidades falsas para controlar mais de 1/3 dos nós, comprometendo o consenso.

4. Compromisso entre desempenho e segurança: Para aumentar o throughput dos sistemas BFT, pode ser necessário sacrificar algum grau de descentralização ou segurança, aspecto crítico no design de sistemas blockchain.

5. Complexidade de gestão de identidades: Muitas implementações BFT exigem conhecimento prévio das identidades de todos os nós participantes, em oposição ao princípio de abertura e anonimato das blockchains.

Para superar estes desafios, investigadores têm apresentado soluções inovadoras, como tecnologia de sharding, mecanismos de consenso híbridos e Verifiable Random Functions (VRF), com vista a melhorar a escalabilidade e desempenho dos sistemas mantendo a segurança.

Apesar destes obstáculos, a Tolerância a Falhas Bizantinas continua a ser uma tecnologia fundamental para sistemas distribuídos fiáveis, especialmente relevantes para blockchains que exigem elevados níveis de segurança.

Os mecanismos BFT são peças fundamentais no ecossistema da tecnologia blockchain, resolvendo o problema da confiança em redes descentralizadas e permitindo que participantes sem relação de confiança alcancem consenso sem autoridade central. Com a expansão dos casos de uso da blockchain, os algoritmos BFT evoluem continuamente e multiplicam-se as versões otimizadas, como variantes combinadas com proof-of-stake e BFT em pipeline com menor complexidade de comunicação. No futuro, a Tolerância a Falhas Bizantinas continuará a desempenhar um papel decisivo em áreas como fintech, cadeias de abastecimento e verificação de identidade, servindo de base teórica e técnica para sistemas distribuídos mais seguros e eficientes.