Hur kan man uppnå robust konsensus i nätverk med bysantinska fel?

För att uppnå konsensus i nätverk som innehåller hundratals eller till och med tusentals noder med fördröjningar på mindre än en sekund, är det nödvändigt att adressera flera tekniska utmaningar, inklusive sårbarheter som kan uppstå genom förlorad eller manipulerad information. En sådan metod som har visat sig vara effektiv är SENATE, som bygger på att identifiera och särskilja noder genom unika trådlösa fingeravtryck. Dessa fingeravtryck, som kan vara kanalstatusinformation eller mottagen signalstyrka, gör det möjligt att upptäcka och förhindra attacker där noder försöker manipulera kommunikationen eller skapa förtroende med andra noder. Det faktum att även en angripen eller felaktig nod inte kan på ett trovärdigt sätt manipulera sina trådlösa interaktioner är en grundpelare i denna strategi. Genom att använda denna metod stärks säkerheten och pålitligheten hos konsensusprocessen, vilket gör den mer resistent mot Sybil-attacker och andra skadliga beteenden.

En annan intressant utveckling inom området är Algorand, en kryptovaluta som har designats för att klara av stora användarbaser utan att förlora effektivitet. Algorand använder en särskild mekanism för att motverka Sybil-attacker, där illasinnade aktörer försöker fylla nätverket med falska identiteter. Genom att tilldela ett viktat värde till varje användare, minskar Algorand risken för denna typ av angrepp, vilket gör att nätverket förblir motståndskraftigt. Algorand använder också en bysantinsk enighet genom ett protokoll som utnyttjar verifierbara slumpmässiga funktioner (VRF), vilket gör det möjligt att snabbt och effektivt nå konsensus om vilka transaktioner som ska behandlas och block skapas. Detta gör det också möjligt att eliminera risken för att blockkedjan ska förgrena sig, vilket stärker säkerheten och robustheten i hela systemet.

En annan viktig utveckling i detta sammanhang kom från Wang et al. [62], som studerade bysantinska fel vid både protokoll- och informationslagret. Deras arbete ledde till utvecklingen av det adaptiva bysantinska fel-toleranta (ABFT) konsensusprotokollet, som bygger på antagandet om optimistiskt svar—en strategi som förutsätter ärligt beteende tills motsatsen bevisas. ABFT har den fördelen att det klarar av att hantera upp till hälften av bysantinska fel i nätverket, vilket gör systemet mycket robust. Detta innebär att konsensus kan uppnås trots att vissa deltagare agerar illojalt eller att nätverket inte är fullt synkroniserat.

Vidare har Zhang et al. [17] utvecklat ett bysantinskt fel-tolerant protokoll särskilt anpassat för trådlösa nätverk med en-hoppskommunikation. Detta protokoll, som kallas LRBP (Low Latency and Reliable Byzantine Fault-Tolerant Consensus Protocol), designades för att hantera specifika egenskaper som persistens och livskraft. Persistens innebär att när en transaktion är validerad och registrerad i blockkedjan blir den oföränderlig och kan inte raderas eller förfalskas av skadliga aktörer. Livskraft innebär att nätverket kommer att nå konsensus om transaktionerna, oavsett om det finns felaktiga noder eller störningar som försöker hindra processen.

Jing et al. [63] erbjöd en lösning för att uppnå majoritetskonsensus i miljöer där enheter är benägna att drabbas av bysantinska fel och dessutom måste hantera oförutsägbara trådlösa kanaler. Deras metod, som kallas för (a, b)-majoritetskonsensus, definierar ett problem där konsensus kan uppnås med en viss tröskel även om bysantinska enheter försöker störa processen. De utvecklade ett distribuerat protokoll som garanterar att en majoritet kan nås, och att detta kan göras med hög sannolikhet inom en viss tidsram.

För att effektivt förstå och tillämpa dessa teorier och tekniker är det viktigt att erkänna de grundläggande egenskaperna hos konsensus i bysantinska nätverk. Förutom att förstå de tekniska detaljerna, måste man beakta att realtidskommunikation och minimala fördröjningar är avgörande för effektiviteten i dessa system. Dessa konsensusprotokoll bygger på det faktum att nätverken måste vara tillräckligt snabba och pålitliga för att säkerställa att ingen enskild aktör kan manipulera processen utan att bli avslöjad, vilket gör dem otroligt robusta i mötet med både interna och externa hot.

Hur CSMA/CA påverkar prestanda och säkerhet i trådlösa blockkedjenätverk

För att stödja sin teoretiska analys genomförde Cao et al. simuleringar som återskapar verkliga nätverksförhållanden för att illustrera CSMA/CA:s inverkan på transaktionshantering och säkerhetsramverk. Dessa simuleringar bekräftade inte bara deras teoretiska modeller utan visade också på de betydande begränsningarna som CSMA/CA ålägger både effektiviteten och säkerheten hos blockkedjesystem i trådlösa miljöer. Den empiriska valideringen ger viktiga insikter som kan vägleda utvecklingen av mer robusta blockkedjeinfrastrukturer för trådlösa IoT-applikationer.

I den trådlösa blockkedjeteknikens kontext innebär störningar, eller "jamming", en sofistikerad utmaning som underminerar nätverkets integritet och prestanda. Jamming-attacker består av avsiktlig utsändning av radiofrekvenssignaler för att störa den normala kommunikationen mellan noder, vilket äventyrar pålitligheten hos blockkedjetransaktioner. Denna typ av attack är särskilt farlig på grund av dess förmåga att orsaka betydande kommunikationsförseningar, öka paketförlusten och till och med partitionera nätverket. Störningar som dessa kan allvarligt påverka konsensusmekanismerna som är avgörande för att upprätthålla blockkedjans sammanhang och säkerhet. Dessutom kan störningar leda till ökad energiförbrukning när noder tvingas öka sin sändningskraft för att motverka interferens.

För att motverka dessa utmaningar har forskare och ingenjörer utvecklat olika åtgärder, såsom frekvenshoppa för att undvika ihållande störningar, användning av spridningsspektrumtekniker för att förbättra signalens motståndskraft och implementering av sofistikerade felkorrigeringskoder för att återställa förlorad data. Dessa försvarsåtgärder är avgörande för att bevara den operativa effektiviteten och säkerheten hos trådlösa blockkedjenätverk, och säkerställa att de kan motstå och anpassa sig till komplexiteten hos störningar i radiobaserad kommunikation.

Xu et al. har undersökt säkerhetsprestanda hos RAFT-baserade trådlösa blockkedjenätverk vid förekomst av skadliga störningar, vilket är ett kritiskt problem inom de expansiva landskapen av trådlösa IoT-ekosystem där interferens kan äventyra transaktionsintegriteten. Deras forskning fokuserar på RAFT-konsensusmekanismens anpassbarhet i miljöer som är sårbara för säkerhetshot, och erbjuder en ny metod för att säkra blockkedjetransaktioner i decentraliserade nätverk utan att förlita sig på traditionella, beräkningsintensiva protokoll som Proof-of-Work eller Proof-of-Stake.

Inom trådlösa blockkedjesystem som använder BLOWN (Block-Weighted Overlay Network), som är en modell för att optimera och förstärka kommunikationen mellan distribuerade noder, är ett viktigt koncept att förstå att varje nod i nätverket är utrustad med en halvduplextransceiver, vilket innebär att den inte kan både sända och ta emot samtidigt. Detta har betydande konsekvenser för hur kommunikationen hanteras och hur snabb och säker dataöverföring kan säkerställas.

Den trådlösa blockkedjan baseras på en nätverksmodell som använder det så kallade UTXO (Unspent Transaction Output)-konto. Denna modell har visat sig vara särskilt effektiv för att hantera skalbarheten och säkerheten i blockkedjor genom att möjliggöra flera samtidiga transaktionshanteringar, vilket är viktigt för att stödja användningen av tekniker som sharding. Den ger också ett robust skydd mot dubbelspenderingsattacker genom att säkerställa att varje transaktion är oåterkallelig och korrekt verifierad.

För att kunna hantera störningar och bibehålla integriteten i transaktionerna använder man SIGAR, en signal-till-interferens-plus-brus (SINR)-modell, för att korrekt representera störningar i trådlösa nätverk. Denna modell har visat sig vara mer realistisk än tidigare grafteoretiska modeller och ger en bättre förståelse för hur störningar kan påverka både överföringskvaliteten och säkerheten i blockkedjeoperationer.