Der Konsensalgorithmus des Ripple-Protokolls

Abstract

Obwohl mehrere Konsensalgorithmen fur das Problem der Byzantinischen Generale existieren, insbesondere in Bezug auf verteilte Zahlungssysteme, leiden viele unter hoher Latenz, die durch die Anforderung verursacht wird, dass alle Knoten im Netzwerk synchron kommunizieren mussen. In dieser Arbeit prasentieren wir einen neuartigen Konsensalgorithmus, der diese Anforderung umgeht, indem er kollektiv vertrauenswurdige Subnetzwerke innerhalb des grosseren Netzwerks nutzt. Wir zeigen, dass das "Vertrauen", das zur Verhinderung von Sybil-Angriffen erforderlich ist, tatsachlich nicht global ist, sondern lokal fur jeden Knoten im Netzwerk.

Der Konsensalgorithmus des Ripple-Protokolls (RPCA) wird alle paar Sekunden von allen Knoten angewendet, um die Korrektheit und Ubereinstimmung des Netzwerks aufrechtzuerhalten. Sobald ein Konsens erreicht ist, gilt das aktuelle Ledger als "geschlossen" und wird zum letzten geschlossenen Ledger. Dieser Algorithmus ist einzigartig, da er Konsens mit niedriger Latenz erreicht und gleichzeitig starke Garantien gegen byzantinische Ausfalle bietet, was ihn fur Echtzeit-Finanzabrechnungssysteme geeignet macht.

Introduction

Ein verteiltes Zahlungssystem muss einen Konsensalgorithmus implementieren, um Zahlungen korrekt und zeitnah zu verarbeiten, selbst bei Vorhandensein fehlerhafter oder boswilliger Akteure. Bitcoin erreicht Konsens durch Proof-of-Work, bei dem alle Knoten Rechenressourcen aufwenden mussen, um kryptografische Ratsel zu losen. Obwohl dieser Ansatz starke Sicherheitsgarantien bietet, leidet er unter erheblichen Nachteilen, darunter hoher Energieverbrauch, geringer Transaktionsdurchsatz und lange Bestatigungs-Latenzen, die bei hochwertigen Transaktionen eine Stunde oder mehr betragen konnen.

Der Konsensalgorithmus des Ripple-Protokolls bietet einen neuen Ansatz fur verteilten Konsens, der kein Proof-of-Work erfordert. Stattdessen einigen sich die Knoten im Netzwerk durch einen Abstimmungsprozess kollektiv auf Transaktionssatze, der Konsens innerhalb von Sekunden erreicht. Dieser Konsensmechanismus ist speziell fur die Anforderungen eines globalen Zahlungsnetzwerks konzipiert, bei dem niedrige Latenz und hoher Durchsatz fur den praktischen Einsatz unerlasslich sind.

Die wichtigste Innovation des RPCA besteht darin, dass nicht alle Knoten im Netzwerk miteinander ubereinstimmen mussen. Stattdessen pflegt jeder Knoten eine Unique Node List (UNL) anderer Knoten, denen er vertraut, nicht zu kolludieren. Solange die von den Knoten gewahlten UNLs ausreichende Uberlappung aufweisen und weniger als ein Schwellenwertprozentsatz der Knoten fehlerhaft ist, wird das Netzwerk Konsens erreichen. Dieser Ansatz bietet die fur ein Zahlungssystem erforderlichen Sicherheitsgarantien bei einer Konsenslatenz, die in Sekunden statt in Minuten oder Stunden gemessen wird.

Definition of Consensus

In verteilten Systemen bezieht sich Konsens auf den Prozess, durch den ein Netzwerk von Knoten trotz fehlerhafter oder boswilliger Teilnehmer eine Einigung uber einen gemeinsamen Zustand erzielt. Ein Konsensalgorithmus muss drei grundlegende Eigenschaften erfullen: Korrektheit (keine zwei korrekten Knoten entscheiden unterschiedlich), Ubereinstimmung (alle korrekten Knoten treffen die gleiche Entscheidung) und Terminierung (alle korrekten Knoten entscheiden sich schliesslich). Diese Eigenschaften stellen sicher, dass sich das verteilte System verhalt, als ware es ein einzelner, zuverlassiger Knoten.

Die Herausforderung bei der Erreichung von Konsens ergibt sich aus der inharenten Unzuverlassigkeit verteilter Systeme. Knoten konnen absturzen, Nachrichten konnen verzogert werden oder verloren gehen, und byzantinische Knoten konnen sich beliebig oder boswillig verhalten. Das Problem der Byzantinischen Generale, formalisiert von Lamport, Shostak und Pease, erfasst diese Herausforderung: Wie kann eine Gruppe von Prozessen eine Einigung erzielen, wenn ein Teil fehlerhaft sein kann und die Kommunikation unzuverlassig ist?

Klassische Ergebnisse der verteilten Informatik legen fundamentale Grenzen fest, was Konsensalgorithmen erreichen konnen. Das FLP-Unmoglichkeitsergebnis zeigt, dass kein deterministischer Algorithmus Konsens in einem asynchronen System garantieren kann, wenn auch nur ein einziger Knoten ausfallen kann. Praktische Konsensalgorithmen mussen daher Kompromisse zwischen Sicherheit (niemals einen falschen Konsens erreichen) und Lebendigkeit (immer Fortschritte machen) eingehen. Bitcoins Proof-of-Work priorisiert Sicherheit uber Lebendigkeit, wahrend RPCA ein fur Zahlungssysteme besser geeignetes Gleichgewicht erreicht, indem es Konsensrunden in begrenzter Zeit abschliesst und gleichzeitig starke Sicherheitsgarantien unter realistischen Fehlerannahmen aufrechterhalt.

Existing Consensus Algorithms

Mehrere Konsensalgorithmen wurden vorgeschlagen, um das Problem der Byzantinischen Generale in verteilten Systemen zu losen. Der Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) Algorithmus, eingefuhrt von Castro und Liskov, kann bis zu f byzantinische Fehler in einem System von 3f+1 Knoten tolerieren. PBFT erreicht Konsens durch mehrere Runden des Nachrichtenaustauschs zwischen allen Knoten mit einer Kommunikationskomplexitat von O(n^2), wobei n die Anzahl der Knoten ist. Wahrend PBFT starke Sicherheitsgarantien und relativ niedrige Latenz fur kleine Netzwerke bietet, skaliert er aufgrund des quadratischen Kommunikationsaufwands nicht gut fur grosse Netzwerke.

Paxos und seine Varianten, entwickelt von Lamport, ermoglichen Konsens in asynchronen Systemen, setzen jedoch Absturzfehler statt byzantinischer Fehler voraus. Paxos erreicht Konsens durch eine Reihe von Runden, in denen Vorschlagende Werte vorschlagen und Akzeptoren daruber abstimmen. Wahrend Paxos beliebige Nachrichtenverzogerungen und Prozessabsturze tolerieren kann, erfordert es sorgfaltige Entwicklung fur den Umgang mit byzantinischen Fehlern und kann in bestimmten Szenarien unter Livelock leiden.

Bitcoins Proof-of-Work-Konsensalgorithmus verfolgt einen grundlegend anderen Ansatz, indem er byzantinische Angriffe wirtschaftlich undurchfuhrbar macht. Knoten konkurrieren darum, kryptografische Ratsel zu losen, wobei der Gewinner den nachsten Transaktionsblock vorschlagt. Wahrend dieser Ansatz auf beliebige Netzwerkgrossen skaliert und byzantinische Fehler behandelt, hat er schwerwiegende Nachteile: massiver Energieverbrauch (geschatzt auf uber 150 Millionen Dollar pro Jahr fur das Bitcoin-Netzwerk), lange Bestatigungs-Latenzen (oft 40-60 Minuten fur hochwertige Transaktionen) und begrenzter Durchsatz (ungefahr 7 Transaktionen pro Sekunde). Diese Einschrankungen machen Proof-of-Work fur viele Zahlungssystemanwendungen ungeeignet, die eine schnelle Abwicklung und hohe Transaktionsvolumen erfordern.

Ripple Protocol Consensus Algorithm

Der Konsensalgorithmus des Ripple-Protokolls (RPCA) beginnt damit, dass jeder Server alle gultigen Transaktionen, die er gesehen hat und die noch nicht angewendet wurden, als Kandidatentransaktionen nimmt. Die Server folgen dann einem Mehrrundenprotokoll, in dem sie iterativ auf eine Einigung uber einen Satz von Transaktionen hinarbeiten, die auf das aktuelle Ledger angewendet werden sollen. In jeder Runde machen die Server Vorschlage, die aus den Transaktionen bestehen, von denen sie glauben, dass sie in das nachste Ledger aufgenommen werden sollten.

Wahrend jeder Konsensrunde kommunizieren die Server ihre Vorschlage an andere Server in ihrer Unique Node List (UNL). Die Server berechnen dann, welche Transaktionen in einem Schwellenwertprozentsatz der Vorschlage erscheinen. Anfanglich wird dieser Schwellenwert auf 50 % gesetzt, was bedeutet, dass eine Transaktion in Vorschlagen von mindestens der Halfte der UNL eines Servers erscheinen muss, um fur die nachste Runde berucksichtigt zu werden. Wahrend der Konsens durch aufeinanderfolgende Runden fortschreitet, erhoht sich dieser Schwellenwert schrittweise (typischerweise auf 60 %, 70 % und schliesslich 80 %).

Wenn eine Transaktion den Supermajority-Schwellenwert von 80 % Unterstutzung in der UNL eines Servers erreicht, wird sie in den Vorschlag dieses Servers fur die finale Konsensrunde aufgenommen. Alle Transaktionen, die diesen Schwellenwert im gesamten Netzwerk erreichen, werden auf das Ledger angewendet, das dann kryptografisch gehasht und signiert wird. Dieses neu validierte Ledger wird zum letzten geschlossenen Ledger, und der Prozess beginnt mit dem nachsten Satz von Kandidatentransaktionen von vorne.

Der Konsensprozess wird typischerweise in 5 Sekunden oder weniger abgeschlossen, wobei die meisten Transaktionen nur eine einzige Konsensrunde benotigen, um den Supermajority-Schwellenwert zu erreichen. Transaktionen, die in einer Runde keinen Konsens erreichen, bleiben Kandidaten fur nachfolgende Runden. Dieses Design stellt sicher, dass das Netzwerk kontinuierlich Fortschritte macht und gleichzeitig starke Sicherheitsgarantien aufrechterhalt, da keine Transaktion auf das Ledger angewendet werden kann, ohne die Unterstutzung einer Supermajority vertrauenswurdiger Validatoren.

Formal Analysis of Convergence

Die Korrektheit von RPCA hangt entscheidend von der Uberlappung zwischen den UNLs ab, die von verschiedenen Knoten im Netzwerk gewahlt werden. Sei UNL_i die Unique Node List des Knotens i, und sei UNL_i ∩ UNL_j die Menge der Knoten, die sowohl in UNL_i als auch in UNL_j erscheinen. Damit das Netzwerk den Konsens aufrechterhalt, fordern wir, dass fur zwei beliebige Knoten i und j die Schnittmenge ihrer UNLs im Verhaltnis zur maximalen Grosse einer der beiden UNLs ausreichend gross sein muss.

Genauer gesagt garantiert das Protokoll Sicherheit, wenn |UNL_i ∩ UNL_j| / max(|UNL_i|, |UNL_j|) 1/5 fur alle Knotenpaare i und j gilt. Diese Bedingung stellt sicher, dass selbst wenn byzantinische Knoten versuchen, verschiedene Teile des Netzwerks zu unterschiedlichen Konsensentscheidungen zu bringen, die Uberlappung vertrauenswurdiger Knoten einen Fork verhindert. Wenn diese Bedingung erfullt ist und weniger als 1/5 der Knoten in jeder UNL byzantinisch sind, werden alle korrekten Knoten zur gleichen Konsensentscheidung gelangen.

Der formale Beweis erfolgt durch den Nachweis, dass wenn zwei Knoten zu unterschiedlichen Konsensentscheidungen gelangen konnten, eine Transaktion T existieren musste, die im endgultigen Ledger eines Knotens erscheint, aber nicht im anderen. Damit dies eintritt, musste T 80 % Unterstutzung in der UNL des ersten Knotens, aber weniger als 80 % Unterstutzung in der UNL des zweiten Knotens erreicht haben. Angesichts der Uberlappungsanforderung und der Beschrankung byzantinischer Knoten kann jedoch gezeigt werden, dass dieses Szenario unmoglich ist: Wenn T 80 % Unterstutzung in UNL_i erreicht, muss sie mindestens 60 % Unterstutzung in jeder UNL_j erreichen, die die Uberlappungsbedingung erfullt, und mit ausreichend Konsensrunden wird dies zu 80 % konvergieren oder von beiden Knoten abgelehnt werden.

Die Lebendigkeitseigenschaft -- dass Konsens schliesslich erreicht wird -- folgt aus der Beobachtung, dass der Schwellenwert fur die Aufnahme durch die Konsensrunden deterministisch ansteigt. Selbst bei Vorhandensein byzantinischer Knoten und Netzwerkverzogerungen stellt das Protokoll sicher, dass Transaktionen, die von einer Supermajority ehrlicher Knoten unterstutzt werden, schliesslich aufgenommen werden, wahrend Transaktionen ohne solche Unterstutzung ausgeschlossen werden. Die begrenzte Zeit fur den Konsens (typischerweise 5 Sekunden) bietet praktische Lebendigkeitsgarantien, die fur Zahlungssystemanwendungen geeignet sind.

Unique Node Lists

Die Unique Node List (UNL) ist eine grundlegende Komponente von RPCA, die es von anderen Konsensalgorithmen unterscheidet. Jeder Knoten im Ripple-Netzwerk pflegt eine UNL, die aus anderen Knoten besteht, denen er vertraut, das Netzwerk nicht durch Absprachen zu betrugen. Entscheidend ist, dass dieses Vertrauen lokal und nicht global ist: Verschiedene Knoten konnen unterschiedliche UNLs haben, und es gibt keine Anforderung fur eine global vereinbarte Menge von Validatoren. Dieses Design ermoglicht es dem Netzwerk, organisch zu wachsen und gleichzeitig die Dezentralisierung aufrechtzuerhalten.

Die UNL dient als Sybil-Angriffs-Praventionsmechanismus ohne Proof-of-Work. In einem naiven Abstimmungssystem konnte ein Angreifer viele pseudonyme Knoten erstellen, um unverhaltnismassigen Einfluss zu erlangen. Indem jeder Knoten explizit wahlen muss, welchen anderen Knoten er vertraut, stellt RPCA sicher, dass die Erstellung zusatzlicher Identitaten keinen Vorteil bietet, es sei denn, diese Identitaten konnen bestehende Knoten davon uberzeugen, sie zu ihren UNLs hinzuzufugen. Dies verlagert das Problem der Sybil-Resistenz von der Rechenausgabe auf Reputation und Vertrauensbeziehungen.

Damit das Netzwerk korrekt funktioniert, mussen UNLs so gewahlt werden, dass sie ausreichende Uberlappung aufweisen, wie in der formalen Analyse beschrieben. In der Praxis bedeutet dies, dass jeder Knotenbetreiber zwar Autonomie bei der Auswahl seiner UNL hat, aber sicherstellen muss, dass seine Liste Validatoren enthalt, die auch von anderen Teilen des Netzwerks vertraut werden. Ripple stellt eine Standard-UNL bereit, die aus Validatoren besteht, die von verschiedenen Einrichtungen betrieben werden, aber Knotenbetreiber konnen diese Liste nach ihrer eigenen Vertrauensbewertung anpassen.

Der UNL-Mechanismus bietet auch einen naturlichen Weg zur progressiven Dezentralisierung. In den fruhen Phasen des Netzwerks kann eine zentralisiertere Menge von Validatoren angemessen sein, um Stabilitat und Zuverlassigkeit zu gewahrleisten. Wenn das Netzwerk reift und vielfaltiger Betreiber ihre Vertrauenswurdigkeit unter Beweis stellen, konnen die UNLs weiterentwickelt werden, um eine breitere Menge von Validatoren einzuschliessen, was die Widerstandsfahigkeit und Dezentralisierung des Netzwerks erhoht, ohne seine Sicherheitseigenschaften zu gefahrden.

Simulation Code

Um die theoretische Analyse von RPCA zu validieren und seine Leistung unter verschiedenen Bedingungen zu bewerten, wurden umfangreiche Simulationen mit eigens entwickelter Simulationssoftware durchgefuhrt. Das Simulationsframework modelliert ein Netzwerk von Knoten, von denen jeder seine eigene UNL pflegt und am Konsensprotokoll teilnimmt. Der Code implementiert den vollstandigen RPCA-Algorithmus, einschliesslich Transaktionsvorschlagen, Abstimmungsrunden mit steigenden Schwellenwerten und Ledger-Validierung.

Wesentliche in den Simulationen variierte Parameter umfassen die Netzwerkgrosse (von 10 bis 1.000 Knoten), den Prozentsatz byzantinischer Knoten (von 0 % bis 20 %), die UNL-Grosse (typischerweise zwischen 5 und 50 Knoten) und Netzwerktopologie-Konfigurationen. Fur jede Parameterkonfiguration wurden mehrere Simulationslaufe mit verschiedenen Zufallsstartwerten durchgefuhrt, um die statistische Validitat der Ergebnisse sicherzustellen. Die Simulationen verfolgten Metriken wie Konsenslatenz, Fork-Wahrscheinlichkeit und Transaktionsdurchsatz.

Die Simulationsergebnisse bestatigen die theoretischen Vorhersagen bezuglich Konvergenz und Sicherheit. In allen Konfigurationen, in denen die UNL-Uberlappungsbedingung erfullt war und byzantinische Knoten weniger als 20 % jeder UNL ausmachten, erreichte das Netzwerk erfolgreich Konsens ohne Forks. Die Konsenslatenz blieb durchgehend niedrig (typischerweise in 3-5 simulierten Sekunden abgeschlossen), unabhangig von der Netzwerkgrosse, was die Skalierbarkeit des Algorithmus demonstriert. Selbst bei 15 % byzantinischer Knoten, die aktiv versuchten, den Konsens zu storen, behielt das Netzwerk die Korrektheit bei, solange die UNL-Uberlappungsanforderung erfullt war.

Zusatzliche Simulationen untersuchten Grenzfalle und Ausfallszenarien, einschliesslich Netzwerkpartitionen, plotzlicher Anderungen der UNL-Zusammensetzung und koordinierter Angriffe durch byzantinische Knoten. Diese Simulationen lieferten Erkenntnisse uber die Robustheit des Protokolls und informierten empfohlene Best Practices fur die UNL-Auswahl und den Netzwerkbetrieb. Der vollstandige Simulationscode wurde verfugbar gemacht, um unabhangige Uberprufung und weitere Forschung zu ermoglichen.

Discussion

Im Vergleich zu Bitcoins Proof-of-Work-Konsens bietet RPCA mehrere bedeutende Vorteile fur Zahlungssystemanwendungen. Am bemerkenswertesten ist, dass die Konsenslatenz von 40-60 Minuten (der typischerweise fur hochwertige Bitcoin-Transaktionen empfohlene Zeitraum) auf etwa 5 Sekunden reduziert wird. Diese Verbesserung macht RPCA geeignet fur Point-of-Sale und andere Anwendungen, bei denen eine nahezu sofortige Abwicklung erforderlich ist. Daruber hinaus benotigt RPCA im Vergleich zu Proof-of-Work minimale Rechenressourcen, wodurch der massive Energieverbrauch des Bitcoin-Minings entfallt.

Diese Vorteile gehen jedoch mit anderen Vertrauensannahmen einher. Wahrend Bitcoins Sicherheit nur auf der Annahme beruht, dass kein Angreifer mehr als 50 % der Rechenleistung des Netzwerks kontrolliert, erfordert RPCA, dass Knoten UNLs mit ausreichender Uberlappung wahlen und dass byzantinische Knoten den Schwellenwert innerhalb dieser UNLs nicht uberschreiten. Dies ubertragt einen Teil der Verantwortung auf die Knotenbetreiber, umsichtige Vertrauensentscheidungen zu treffen. In der Praxis ist dieser Kompromiss fur viele Zahlungssystem-Anwendungsfalle akzeptabel, in denen die teilnehmenden Institutionen bestehende Vertrauensbeziehungen haben.

Die Netzwerktopologie und die UNL-Auswahlstrategie wirken sich erheblich auf die Eigenschaften des Konsenssystems aus. Eine stark zentralisierte Topologie, bei der alle Knoten dieselben Validatoren in ihre UNLs aufnehmen, maximiert die Sicherheit, kann aber die Lebendigkeit verringern, wenn diese Validatoren nicht verfugbar werden. Umgekehrt kann eine stark dezentralisierte Topologie mit minimaler UNL-Uberlappung die Lebendigkeit verbessern, birgt aber das Risiko von Konsensfehlern, wenn die Uberlappung zu gering wird. Das Finden des optimalen Gleichgewichts erfordert eine sorgfaltige Berucksichtigung des spezifischen Einsatzszenarios und der Risikotoleranz.

Zukunftige Arbeiten konnten adaptive UNL-Auswahlalgorithmen untersuchen, die die Uberlappungsanforderungen automatisch aufrechterhalten und gleichzeitig die Dezentralisierung maximieren, Mechanismen fur Knoten, um ihre UNLs dynamisch basierend auf dem beobachteten Validatorverhalten anzupassen, und Erweiterungen des Konsensalgorithmus, die noch hohere Prozentsatze byzantinischer Knoten tolerieren konnten. Diese Verbesserungen konnten die Robustheit und Anwendbarkeit von RPCA fur grosse verteilte Zahlungssysteme weiter verbessern.

Conclusion

Der Konsensalgorithmus des Ripple-Protokolls stellt einen bedeutenden Fortschritt im verteilten Konsens fur Zahlungssysteme dar. Durch die Nutzung kollektiv vertrauenswurdiger Subnetzwerke anstelle der Anforderung einer globalen Ubereinstimmung aller Knoten erreicht RPCA Konsens in Sekundenschnelle bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung starker Garantien gegen byzantinische Ausfalle. Die formale Analyse zeigt, dass das Netzwerk korrekten Konsens ohne Forks erreicht, solange UNLs mit ausreichender Uberlappung gewahlt werden und byzantinische Knoten unter dem Schwellenwert bleiben.

Die praktischen Implikationen dieser Arbeit gehen uber das Ripple-Zahlungsnetzwerk hinaus. RPCA demonstriert, dass der traditionelle Kompromiss zwischen Konsenslatenz und Sicherheitsgarantien durch sorgfaltiges Protokolldesign und die Nutzung lokaler Vertrauensbeziehungen uberwunden werden kann. Dieser Ansatz kann sich als anwendbar auf andere verteilte Systeme erweisen, in denen niedrige Latenz entscheidend ist und Teilnehmer bestehende Vertrauensbeziehungen haben, wie beispielsweise Interbanken-Abrechnungssysteme, Lieferkettenverfolgung und andere Anwendungen der Finanzinfrastruktur.

Der Einsatz von RPCA in Produktionssystemen hat die Leistungsmerkmale und die Robustheit des Algorithmus validiert. Das Ripple-Netzwerk verarbeitet Tausende von Transaktionen pro Sekunde mit einer konstanten Konsenslatenz von 3-5 Sekunden und demonstriert damit, dass sich die theoretischen Eigenschaften effektiv in den realen Betrieb ubertragen. Wahrend das Netzwerk sich weiterentwickelt und zusatzliche Validatoren von verschiedenen Betreibern einbezieht, liefert es ein praktisches Beispiel dafur, wie ein dezentralisiertes Konsenssystem sowohl Sicherheit als auch Leistung im grossen Massstab aufrechterhalten kann.

References

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