Schnelle byzantinische Fehlertoleranz (FBFT)

Der Konsensalgorithmus von Harmony, Fast Byzantine Fault Tolerance (FBFT), ist eine innovative Adaption des PBFT-Algorithmus (Practical Byzantine Fault Tolerance). FBFT verbessert die Skalierbarkeit und Geschwindigkeit durch die Verwendung von Boneh-Lynn-Shacham-Signaturen (BLS), die den Kommunikationsaufwand erheblich reduzieren und es dem Netzwerk ermöglichen, schnell und effizient einen Konsens zu erzielen.

Bei FBFT umfasst der Konsensprozess eine Führungskraft und drei Phasen: Ankündigung, Vorbereitung und Verpflichtung. Der Leader schlägt einen neuen Block vor und sendet seinen Hash während der Ankündigungsphase an die Validatoren. Die Validatoren verifizieren dann die Nachricht, signieren den Block-Hash und geben ihre Signaturen an den Leader zurück. Die Vorbereitungsphase endet, sobald die Unterschriften gesammelt sind, die mehr als zwei Drittel der Stimmen repräsentieren.

Der Leader aggregiert diese Signaturen zu einer einzigen BLS-Aggregatsignatur und sendet sie zusammen mit dem vollständigen Block, um die Commit-Phase einzuleiten. Die Validatoren verifizieren dann den Block und wiederholen den Signaturvorgang. Der Konsens wird erreicht, sobald die Commit-Phase abgeschlossen ist, in der Regel innerhalb von 2 Sekunden im Mainnet, was die Effizienz von FBFT demonstriert.

Das Design von FBFT umfasst ein synchrones Protokoll zur Änderung der Ansicht, um potenzielle Verzögerungen im Konsens aufgrund böswilliger Führungskräfte zu beheben. Im Gegensatz zu PBFT, das auf einem Timeout-Mechanismus beruht, basiert das View-Change-Protokoll von Harmony auf lokalen Uhren und der verstrichenen Zeit seit dem letzten erfolgreich festgeschriebenen Block, wodurch Robustheit und Funktionalität auch dann gewährleistet werden, wenn es bei Knoten zu Ausfallzeiten oder Desynchronisationen kommt.

Dieser synchrone Ansichtswechsel, kombiniert mit der Verwendung von BLS-Aggregatsignaturen, gewährleistet die Lebendigkeit des FBFT-Konsenses und hält die Effizienz und Sicherheit des Netzwerks aufrecht. Das Design des Protokolls garantiert, dass der Konsensprozess aktiv und widerstandsfähig gegenüber Fehlern bleibt, solange eine überwiegende Mehrheit der ehrlichen Validatoren online ist.

Effektiver Proof-of-Stake (EPoS)

Harmonys Effective Proof-of-Stake (EPoS) ist ein neuartiger Staking-Mechanismus, der entwickelt wurde, um die Netzwerksicherheit und Dezentralisierung zu verbessern. EPoS überwindet die Einschränkungen traditioneller Proof-of-Stake (PoS)-Systeme, indem es Funktionen einführt, die eine Stake-Zentralisierung verhindern und eine faire Verteilung der Belohnungen unter den Validatoren gewährleisten.

EPoS ermöglicht es, Validatoren auf der Grundlage ihrer gestakten Token zu wählen, wobei der Mechanismus Validatoren dazu ermutigt, mehrere Knoten zu betreiben, wenn sie über eine große Menge an Stake verfügen, wodurch die Sicherheit und Skalierbarkeit des Netzwerks unterstützt wird. Dieses System stellt sicher, dass Validatoren mit kleineren Einsätzen weiterhin effektiv am Netzwerk teilnehmen können, was die Inklusivität und Dezentralisierung fördert.

Der EPoS-Mechanismus wurde entwickelt, um die Stakes zufällig und gleichmäßig auf alle Shards zu verteilen, die Sicherheit jedes Shards zu erhöhen und zu verhindern, dass ein einzelner Shard weniger sicher ist als andere. Diese Verteilung mindert auch das Risiko von Shard-Übernahmen und erhöht die allgemeine Ausfallsicherheit des Netzwerks.

EPoS enthält Slashing-Bedingungen, um böswilliges Verhalten, wie z. B. doppeltes Signieren, zu bestrafen und ausgewählte, aber nicht verfügbare Knoten zu bestrafen, um sicherzustellen, dass alle Validatoren einen positiven Beitrag zur Netzwerksicherheit und -zuverlässigkeit leisten. Dieser Ansatz bietet Validatoren einen Anreiz, eine hohe Betriebszeit aufrechtzuerhalten und Netzwerkprotokolle einzuhalten.

Das Wirtschaftsmodell von EPoS begrenzt die jährliche Ausgabe von Token und verbrennt alle Transaktionsgebühren, um bei hoher Netzwerkauslastung eine Nullinflation anzustreben. Dieses Modell bietet den Validatoren eine vorhersehbare Rendite auf ihre eingesetzten Token und fördert die langfristige Teilnahme und Investition in die Gesundheit und das Wachstum des Netzwerks.

Vergleich mit anderen Konsensmechanismen

Die FBFT- und EPoS-Konsensmechanismen von Harmony bieten deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Konsensmodellen wie Proof of Work (PoW) und Standard-PoS. Die Effizienz von FBFT bei der Erzielung eines Konsenses, die durch BLS-aggregierte Signaturen ermöglicht wird, ermöglicht eine schnelle Finalität von Transaktionen und einen reduzierten Kommunikationsaufwand, wodurch es deutlich schneller und skalierbarer ist als PBFT- und PoW-basierte Systeme.

EPoS geht auf die Zentralisierungsprobleme ein, die mit traditionellen PoS-Mechanismen verbunden sind, indem es einen fairen und integrativen Validator-Wahlprozess und eine gerechte Verteilung der Belohnungen gewährleistet. Dieses System verbessert die Netzwerksicherheit und Dezentralisierung, indem es die Konzentration von Einsätzen verhindert und die Vielfalt der Validatoren fördert.

Die Kombination von FBFT und EPoS positioniert Harmony als energieeffizientere, skalierbarere und sicherere Blockchain-Plattform im Vergleich zu PoW-Blockchains, die sich durch einen hohen Energieverbrauch und eine langsamere Transaktionsfinalität auszeichnen. Die Konsensmechanismen von Harmony bieten auch Verbesserungen in Bezug auf Inklusivität und Fairness gegenüber traditionellen PoS-Systemen, die die Vermögenskonzentration unter den Validatoren begünstigen können.

Höhepunkte

• Fast Byzantine Fault Tolerance (FBFT) von Harmony ist eine erweiterte Version von PBFT, die BLS-Aggregatsignaturen verwendet, um die Kommunikationskosten zu senken und innerhalb von 2 Sekunden einen Konsens zu erzielen, wodurch die Skalierbarkeit und Geschwindigkeit verbessert werden.
• FBFT arbeitet nach einem Leader-basierten Modell mit Ansage-, Vorbereitungs- und Commit-Phasen, das einen schnellen Konsens mit der Anforderung von mehr als zwei Dritteln der Zustimmung der Validatoren gewährleistet und die Netzwerkeffizienz und -sicherheit aufrechterhält.
• Das synchrone Ansichtsänderungsprotokoll in FBFT behebt potenzielle Verzögerungen aufgrund böswilliger Anführer, indem es sich bei der Zeitmessung auf lokale Uhren verlässt und sicherstellt, dass der Konsens auch bei Ausfallzeiten der Knoten aktiv und robust bleibt.
• Effective Proof-of-Stake (EPoS) in Harmony führt einen fairen Staking- und Validator-Wahlmechanismus ein, der eine Stake-Zentralisierung verhindert, mehrere Nodes für große Stakeholder unterstützt und eine gerechte Verteilung der Belohnungen gewährleistet.
• EPoS verbessert die Shard-Sicherheit, indem es die Stakes gleichmäßig auf alle Shards verteilt und Slashing-Bedingungen integriert, um böswilliges Verhalten zu bestrafen und die Zuverlässigkeit des Netzwerks und die Verantwortlichkeit der Validatoren zu fördern.
• Im Vergleich zu herkömmlichen Konsensmechanismen wie PoW und PoS bieten FBFT und EPoS von Harmony eine schnellere Transaktionsfinalität, einen geringeren Energieverbrauch, eine größere Skalierbarkeit sowie eine verbesserte Sicherheit und Dezentralisierung und setzen damit einen neuen Standard für Blockchain-Konsensmodelle.