[区块链] 拜占庭将军问题 [BFT]

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  拜占庭将军哪此的问题报告 本来人可能听过,但告诉我具体是哪此意思。这样究竟哪此是拜占庭将军哪此的问题报告 呢? 本文从最通俗的故事讲起,并对该哪此的问题报告 进行抽象,并告诉亲戚亲戚大伙拜占庭将军哪此的问题报告 为哪此在区块链领域作为有一有一个 重点研究哪此的问题报告 。

哪此是拜占庭将军哪此的问题报告 :

  “拜占庭将军哪此的问题报告 ”也被称为“拜占庭容错”。

  拜占庭将军哪此的问题报告 是Leslie Lamport(2013年的图灵讲得住)用来为描述分布式系统一致性哪此的问题报告 (Distributed Consensus)在论文中抽象出来有一有一个 著名的例子。

  你这个 例子大意是从前的:

  拜占庭帝国不不进攻有一有一个 强大的敌人,为此派出了10支军队去包围你这个 敌人。你这个 敌人虽不比拜占庭帝国,但也足以抵御5支常规拜占庭军队的一齐袭击。这10支军队在分开的包围情况报告下一齐攻击。亲戚大伙任一支军队单独进攻都毫无胜算,除非有至少6支军队(一半以上)一齐袭击也能攻下敌国。亲戚大伙分散在敌国的四周,依靠通信兵骑马相互通信来协商进攻意向及进攻时间。困扰哪此将军的哪此的问题报告 是,亲戚大伙不选则亲戚大伙中与是是否是叛徒,叛徒可能擅自变更进攻意向可能进攻时间。在你这个 情况报告下,拜占庭将军们也能保证有多于6支军队在同一时间一齐发起进攻,从而赢取战斗? 

注:“  拜占庭将军哪此的问题报告 中不不说去考虑通信兵是是否是会被截获或无法传达信息等哪此的问题报告 ,即消息传递的信道绝无哪此的问题报告 。Lamport可能证明了在消息可能丢失的不可靠信道上试图通过消息传递的土办法 达到一致性是可能的。本来,在研究拜占庭将军哪此的问题报告 的就让,可能假定了信道是这样哪此的问题报告 的。 ”


 通俗分析:

  单从上面的说明可能无法理解你这个 哪此的问题报告 的僵化 性,亲戚亲戚大伙来简单分析一下:

  先看在这样叛徒情况报告下,若果有一有一个 将军A提有一有一个 进攻提议(如:明日下午1点进攻,不不我加入吗?)由通信兵通信分别告诉或多或少的将军,可能幸运中的幸运,他收到了或多或少6位将军以上的同意,发起进攻。可能不幸,或多或少的将军也在此时发出不同的进攻提议(如:明日下午2点、3点进攻,不不我加入吗?),可能时间上的差异,不同的将军收到(并认可)的进攻提议可能是不一样的,这是可能出現A提议有有一个支持者,B提议有有一有一个 支持者,C提议有有一有一个 支持者等等。

  换成或多或少僵化 性,在有叛徒情况报告下,有一有一个 叛徒会向不同的将军发出不同的进攻提议(通知A明日下午1点进攻, 通知B明日下午2点进攻等等),有一有一个 叛徒也会可能同意多个进攻提议(即同意下午1点进攻又同意下午2点进攻)。

  叛徒发送前后不一致的进攻提议,被称为“拜占庭错误”,而也能避免拜占庭错误的你这个 容错性称为「Byzantine fault tolerance」,简称为BFT。


哪此的问题报告 抽象:

  求解拜占庭将军哪此的问题报告 ,隐含要满足以下有一有一个 条件:

  1)每个忠诚的将军可不也能收到相同的命令值vi(vi是第i个将军的命令)。

  2)可能第i个将军是忠诚的,这样他发送的命令和每个忠诚将军收到的vi相同。

  于是,拜占庭将军哪此的问题报告 的能不可不也能描述为:有一有一个 发送命令的将军要发送有一有一个 命令给其余n-有一有一个 将军,使得:

  IC1.所有忠诚的接收命令的将军遵守相同的命令;

  IC2.可能发送命令的将军是忠诚的,这样所有忠诚的接收命令的将军遵守所接收的命令。

  Lamport对拜占庭将军哪此的问题报告 的研究表明,当n>3m时,即叛徒的个数m小于将军总数n的1/3时,通过口头同步通信(假设通信是可靠的),能不可不也能构造一齐满足IC1和IC2的避免方案,即将军们能不可不也能达成一致的命令。但可能通信是可认证、防篡改伪造的(如采用PKI认证,消息签名等),则在任意多的叛徒(至少得有有一有一个 忠诚将军)的情况报告下都能不可不也能找到避免方案。

  而在异步通信情况报告下,情况报告就这样这样乐观。Fischer-Lynch-Paterson定理证明了,若果有有一有一个 叛徒所处,拜占庭将军哪此的问题报告 就无解。翻译成分布式计算语言,在有一有一个 多系统守护进程异步系统中,若果有有一有一个 系统守护进程不可靠,这样就不所处有一有一个 协议,此协议能保证有限时间内使所有系统守护进程达成一致。

  由此可见,拜占庭将军哪此的问题报告 在有一有一个 分布式系统中,是有一有一个 非常有挑战性的哪此的问题报告 。可能分布式系统不可不也能依靠同步通信,就让性能和传输速率将非常低。就让寻找有一种实用的避免拜占庭将军哪此的问题报告 的算法突然是分布式计算领域中的有一有一个 重要哪此的问题报告 。

在这里,亲戚亲戚大伙先给出分布式计算涵盖关拜占庭欠缺和故障的有一有一个 定义:

  定义1:拜占庭欠缺(Byzantine Fault):任何观察者不不说同深层看,表现出不同症状的欠缺。

  定义2:拜占庭故障(Byzantine Failure):在可不也能共识的系统中可能拜占庭欠缺意味着着丧失系统服务。 

  在分布式系统中,有的是所有的欠缺或故障都能称作拜占庭欠缺或故障。像死机、丢消息等欠缺或故障不可不也能算为拜占庭欠缺或故障。拜占庭欠缺或故障是最严重欠缺或故障,拜占庭欠缺有不可预测、任意性的欠缺,类式于遭黑客破坏,中木马的服务器就让有一有一个 拜占庭服务器。

  在有一有一个 有拜占庭欠缺所处的分布式系统中,所有的系统守护进程有的是有一有一个 初始值。在你这个 情况报告下,共识哪此的问题报告 (Consensus Problem),就让要寻找有一有一个 算法和协议,使得该协议满足以下有一有一个 属性。

  1)一致性(Agreement):所有的非欠缺系统守护进程都可不也能同意同有一有一个 值。

  2)正确性(Validity):可能所有的非欠缺的系统守护进程有相同的初始值,这样所有非欠缺的系统守护进程所同意的值可不也能是同有一有一个 初始值。

  3)可就让现在结束了了性(Termination):每个非欠缺的系统守护进程可不也能最终选则有一有一个 值。

  根据Fischer-Lynch-Paterson的理论,在异步通信的分布式系统中,若果有有一有一个 拜占庭欠缺的系统守护进程,就可能找到有一有一个 共识算法,可一齐满足上述要求的一致性、正确性和可就让现在结束了了性要求。在实际情况报告下,根据不同的假设条件,有本来不同的共识算法被设计出来。哪此算法各有优势和局限。算法的假设条件有以下几种情况报告:

  1)故障模型:非拜占庭故障/拜占庭故障。

  2)通信类型:同步/异步。

  3)通信网络连接:节点间直连数。

  4)信息发送者身份:实名/匿名。

  5)通信通道稳定性:通道可靠/不可靠。

  6)消息认证性:认证消息/非认证消息。


中本聪的避免方案:

  在出現比特币就让,避免分布式系统一致性哪此的问题报告 主就让Lamport提出的Paxos算法或其衍生算法。Paxos类算法仅适用于中心化的分布式系统,从前的系统的这样不诚实的节点(不不发送虚假错误消息,但允许出現网络不通或宕机出現的消息延迟)。

  中本聪在比特币中创造性的引入了“工作量证明(POW : Proof of Work)”来避免你这个 哪此的问题报告 ,有兴趣可进一步阅读工作量证明(猛击!)。

  通过工作量证明就增加了发送信息的成本,降低节点发送消息传输速率,从前就以保证在有一有一个 时间不可不也能有一有一个 节点(或是很少)在进行广播,一齐在广播有的是附上另一方的签名。

  你这个 过程就像一位将军A在向或多或少的将军(B、C、D…)发起有一有一个 进攻提议一样,将军B、C、D…看得人将军A签过名的进攻提议书,可能是诚实的将军就会立刻同意进攻提议,而不不发起另一方新的进攻提议。

  以上就让比特币网络中是单个区块(账本)达成共识的土办法 (取得一致性)。

  理解了单个区块取得一致性的土办法 ,这样整个区块链(总账本)可能达成一致也好理解。

  亲戚亲戚大伙稍微把将军哪此的问题报告 改一下:

  假设攻下有一有一个 城堡可不也能多次的进攻,每次进攻的提议可不也能基于就让最多次数的胜利进攻下提出的(不可不也能从前敌方已有损失最大,我方进攻胜利的可能就更大),从前约定就让,将军A在收到进攻提议时,就会检查一下你这个 提议是有的是基于最多的胜利提出的,可能有的是(基于最多的胜利)将军A就不不同意从前的提议,可能是的,将军A就会把这次提议记下来。这就让比特币网络最长链选则 (猛击!)


 经济学分析

  工作量证明实在至少提高了做叛徒(发布虚假区块)的成本,在工作量证明下,不可不也能第有一有一个 完成证明的节点也能广播区块,竞争难度非常大,可不也能很高的算力,可能不成功其算力就硬硬耗费了(算力是可不也能成本的),可能有从前的算力作为诚实的节点,同样也能不可不也能获得很大的收益(这就让矿工所作的工作),这也实际就不不有做叛徒的动机,整个系统也就让而更稳定。

  矿工挖矿获得比特币奖励以及记账所得的交易费用使得矿工更希望维护网络的正常运行,而任何破坏网络的非诚信行为有的是损害矿工自身的利益。就让,即使或多或少比特币矿池具备强大的算力,它们都这样作恶的动机,反而有动力维护比特币的正常运行,可能这和它们的切实利益相关。

  注:原始的拜占庭容错系统可能可不也能展示其理论上的可行性而欠缺实用性另外,还可不也能额外的时钟同步机制支持算法的僵化 度也是随节点增加而指数级增加。实用拜占庭容错系统(PBFT)(猛击!)降低了拜占庭协议的运行僵化 度,从指数级别降低到多项式级别(Polynomial),使拜占庭协议在分布式系统中应用成为可能。

总结:共识算法的核心就让避免拜占庭将军哪此的问题报告 (分布式网络一致性哪此的问题报告 )。


 REFERENCE

  1. Lamport L,Shostak R,Pease M.The Byzantine generals problem.ACM Trans.on Programming Languages and Systems,1982,4(3):382-401.

  2. Fischer,M.J.,Lynch,N.A.,Paterson,M.:Impossibility of distributed consensus with one faulty process.J.ACM 32(2),374-382(1985).
  3. 《区块链技术指南》邹均,张海宁,唐屹,李磊 著

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