[区块链] 拜占庭将军问题 [BFT]

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背景:

  拜占庭将军问題有些人否则 听过,但问你具体是什么意思。如此究竟什么是拜占庭将军问題呢? 本文从最通俗的故事讲起,并对该问題进行抽象,并告诉亲们拜占庭将军问題为什么么么会在区块链领域作为十2个 重点研究问題。

什么是拜占庭将军问題:

  “拜占庭将军问題”也被称为“拜占庭容错”。

  拜占庭将军问題是Leslie Lamport(2013年的图灵讲得住)用来为描述分布式系统一致性问題(Distributed Consensus)在论文中抽象出来十2个 著名的例子。

  什儿 例子大意是有些 的:

  拜占庭帝国我你还都能不能进攻十2个 强大的敌人,为此派出了10支军队去包围什儿 敌人。什儿 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起袭击。这10支军队在分开的包围清况 下一起攻击。亲们任一支军队单独进攻都毫无胜算,除非有大慨6支军队(一半以上)一起袭击不必 攻下敌国。亲们分散在敌国的四周,依靠通信兵骑马相互通信来协商进攻意向及进攻时间。困扰什么将军的问題是,亲们不挑选亲们中是是是否是是有叛徒,叛徒否则 擅自变更进攻意向否则 进攻时间。在什儿 清况 下,拜占庭将军们不必 保证有多于6支军队在同一时间一起发起进攻,从而赢取战斗? 

注:“  拜占庭将军问題中未必去考虑通信兵是是是否是是会被截获或无法传达信息等问題,即消息传递的信道绝无问題。Lamport否则 证明了在消息否则 丢失的不可靠信道上试图通过消息传递的方法达到一致性是不否则 的。有些,在研究拜占庭将军问題的过后,否则 假定了信道是如此问題的。 ”


 通俗分析:

  单从中间的说明否则 无法理解什儿 问題的简化性,亲们来简单分析一下:

  先看在如此叛徒清况 下,倘若十2个 将军A提十2个 进攻提议(如:明日下午1点进攻,你我你还都能不能加入吗?)由通信兵通信分别告诉有些的将军,否则 幸运中的幸运,他收到了有些6位将军以上的同意,发起进攻。否则 不幸,有些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,你我你还都能不能加入吗?),否则 时间上的差异,不同的将军收到(并认可)的进攻提议否则 是不一样的,这是是否是则 总爱总爱出现A提议有十2个 支持者,B提议十2个 支持者,C提议十2个 支持者等等。

  加上有些简化性,在有叛徒清况 下,十2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),十2个 叛徒也会否则 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”,而不必 处理拜占庭错误的什儿 容错性称为「Byzantine fault tolerance」,简称为BFT。


问題抽象:

  求解拜占庭将军问題,隐含要满足以下十2个 条件:

  1)每个忠诚的将军还都能不能收到相同的命令值vi(vi是第i个将军的命令)。

  2)否则 第i个将军是忠诚的,如此他发送的命令和每个忠诚将军收到的vi相同。

  于是,拜占庭将军问題的还都能不能 描述为:十2个 发送命令的将军要发送十2个 命令给其余n-十2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.否则 发送命令的将军是忠诚的,如此所有忠诚的接收命令的将军遵守所接收的命令。

  Lamport对拜占庭将军问題的研究表明,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),还都能不能 构造一起满足IC1和IC2的处理方案,即将军们还都能不能 达成一致的命令。但否则 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(大慨得十2个 忠诚将军)的清况 下都还都能不能 找到处理方案。

  而在异步通信清况 下,清况 就如此如此乐观。Fischer-Lynch-Paterson定理证明了,倘若十2个 叛徒所处,拜占庭将军问題就无解。翻译成分布式计算语言,在十2个 多程序运行运行运行异步系统中,倘若十2个 程序运行运行运行不可靠,如此就不所处十2个 协议,此协议能保证有限时间内使所有程序运行运行运行达成一致。

  由此可见,拜占庭将军问題在十2个 分布式系统中,是十2个 非常有挑战性的问題。否则 分布式系统还都能不能 依靠同步通信,否则 性能和传输强度将非常低。否则 寻找什儿 实用的处理拜占庭将军问題的算法总爱是分布式计算领域中的十2个 重要问題。

在这里,亲们先给出分布式计算含有关拜占庭匮乏和故障的十2个 定义:

  定义1:拜占庭匮乏(Byzantine Fault):任何观察者未必同深度看,表现出不同症状的匮乏。

  定义2:拜占庭故障(Byzantine Failure):在还都能不能共识的系统中否则 拜占庭匮乏愿因丧失系统服务。 

  在分布式系统中,还都能不能所有的匮乏或故障都能称作拜占庭匮乏或故障。像死机、丢消息等匮乏或故障还都能不能 算为拜占庭匮乏或故障。拜占庭匮乏或故障是最严重匮乏或故障,拜占庭匮乏有不可预测、任意性的匮乏,类事遭黑客破坏,中木马的服务器有些 十2个 拜占庭服务器。

  在十2个 有拜占庭匮乏所处的分布式系统中,所有的程序运行运行运行还都能不能十2个 初始值。在什儿 清况 下,共识问題(Consensus Problem),有些 要寻找十2个 算法和协议,使得该协议满足以下十2个 属性。

  1)一致性(Agreement):所有的非匮乏程序运行运行运行都还都能不能同意同十2个 值。

  2)正确性(Validity):否则 所有的非匮乏的程序运行运行运行有相同的初始值,如此所有非匮乏的程序运行运行运行所同意的值还都能不能是同十2个 初始值。

  3)可开始英文英语 性(Termination):每个非匮乏的程序运行运行运行还都能不能最终挑选十2个 值。

  根据Fischer-Lynch-Paterson的理论,在异步通信的分布式系统中,倘若十2个 拜占庭匮乏的程序运行运行运行,就不否则 找到十2个 共识算法,可一起满足上述要求的一致性、正确性和可开始英文英语 性要求。在实际清况 下,根据不同的假设条件,有有些不同的共识算法被设计出来。什么算法各有优势和局限。算法的假设条件有以下几种清况 :

  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。


中本聪的处理方案:

  在总爱总爱出现比特币过后,处理分布式系统一致性问題主有些 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,有些 的系统的如此不诚实的节点(不必发送虚假错误消息,但允许总爱总爱出现网络不通或宕机总爱总爱出现的消息延迟)。

  中本聪在比特币中创造性的引入了“工作量证明(POW : Proof of Work)”来处理什儿 问題,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强度,有些 就以保证在十2个 时间只十2个 节点(或是很少)在进行广播,一起在广播还都能不能附上当时人的签名。

  什儿 过程就像一位将军A在向有些的将军(B、C、D…)发起十2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,否则 是诚实的将军就会立刻同意进攻提议,而不必发起当时人新的进攻提议。

  以上有些 比特币网络中是单个区块(账本)达成共识的方法(取得一致性)。

  理解了单个区块取得一致性的方法,如此整个区块链(总账本)否则 达成一致也好理解。

  亲们稍微把将军问題改一下:

  假设攻下十2个 城堡还都能不能多次的进攻,每次进攻的提议还都能不能基于过后最多次数的胜利进攻下提出的(还都上能不能 有些 敌方已有损失最大,我方进攻胜利的否则 性就更大),有些 约定过后,将军A在收到进攻提议时,就会检查一下什儿 提议是还都能不能基于最多的胜利提出的,否则 还都能不能(基于最多的胜利)将军A就不必同意有些 的提议,否则 是的,将军A就会把这次提议记下来。这有些 比特币网络最长链挑选 (猛击!)


 经济学分析

  工作量证明其实大慨提高了做叛徒(发布虚假区块)的成本,在工作量证明下,还都上能不能 第十2个 完成证明的节点不必 广播区块,竞争难度非常大,还都能不能很高的算力,否则 不成功其算力就很硬耗费了(算力是还都能不能成本的),否则 有有些 的算力作为诚实的节点,同样也还都能不能 获得很大的收益(这有些 矿工所作的工作),这也实际就不必有做叛徒的动机,整个系统也否则 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还都能不能损害矿工自身的利益。否则 ,即使有些比特币矿池具备强大的算力,它们都如此作恶的动机,反而有动力维护比特币的正常运行,否则 这和它们的切实利益相关。

  注:原始的拜占庭容错系统否则 还都能不能展示其理论上的可行性而匮乏实用性另外,还还都能不能额外的时钟同步机制支持算法的简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简化度,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否则 。

总结:共识算法的核心有些 处理拜占庭将军问題(分布式网络一致性问題)。


 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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