[区块链] 拜占庭将军问题 [BFT]

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背景:

  拜占庭将军疑问什么都人可能听过,但告诉我具体是哪几种意思。不在 究竟哪几种是拜占庭将军疑问呢? 本文从最通俗的故事讲起,并对该疑问进行抽象,并告诉亲戚亲戚让让我们拜占庭将军疑问为哪几种在区块链领域作为有有兩个重点研究疑问。

哪几种是拜占庭将军疑问:

  “拜占庭将军疑问”也被称为“拜占庭容错”。

  拜占庭将军疑问是Leslie Lamport(2013年的图灵讲得住)用来为描述分布式系统一致性疑问(Distributed Consensus)在论文中抽象出来有有兩个著名的例子。

  这人例子大意是从前的:

  拜占庭帝国我要我进攻有有兩个强大的敌人,为此派出了10支军队去包围这人敌人。这人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并肩袭击。这10支军队在分开的包围情况报告下并肩攻击。亲戚让让我们任一支军队单独进攻都毫无胜算,除非有大约6支军队(一半以上)并肩袭击并能攻下敌国。亲戚让让我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。困扰哪几种将军的疑问是,亲戚让让我们不选折 亲戚让让我们中是是是否是是有叛徒,叛徒可能擅自变更进攻意向可能进攻时间。在这人情况报告下,拜占庭将军们并能保证有多于6支军队在同一时间并肩发起进攻,从而赢取战斗? 

注:“  拜占庭将军疑问中无须去考虑通信兵是是是否是是会被截获或无法传达信息等疑问,即消息传递的信道绝无疑问。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法律法子达到一致性是可能的。什么都,在研究拜占庭将军疑问的前一天,可能假定了信道是不在 疑问的。 ”


 通俗分析:

  单从上边的说明可能无法理解这人疑问的简化性,亲戚亲戚让让我们来简单分析一下:

  先看在不在 叛徒情况报告下,而且有有兩个将军A提有有兩个进攻提议(如:明日下午1点进攻,你我要我加入吗?)由通信兵通信分别告诉有些的将军,可能幸运中的幸运,他收到了有些6位将军以上的同意,发起进攻。可能不幸,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,你我要我加入吗?),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,这是可能再次出現A提议有兩个支持者,B提议有有有兩个支持者,C提议有有有兩个支持者等等。

  加进有些简化性,在有叛徒情况报告下,有有兩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),有有兩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”,而并能避免拜占庭错误的这人容错性称为「Byzantine fault tolerance」,简称为BFT。


疑问抽象:

  求解拜占庭将军疑问,隐含要满足以下有有兩个条件:

  1)每个忠诚的将军都要收到相同的命令值vi(vi是第i个将军的命令)。

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

  于是,拜占庭将军疑问的都要描述为:有有兩个发送命令的将军要发送有有兩个命令给其余n-有有兩个将军,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,不在 所有忠诚的接收命令的将军遵守所接收的命令。

  Lamport对拜占庭将军疑问的研究表明,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),都要构造并肩满足IC1和IC2的避免方案,即将军们都要达成一致的命令。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(大约得有有有兩个忠诚将军)的情况报告下都要找到避免方案。

  而在异步通信情况报告下,情况报告就不在 不在 乐观。Fischer-Lynch-Paterson定理证明了,而且有有有兩个叛徒趋于稳定,拜占庭将军疑问就无解。翻译成分布式计算语言,在有有兩个多系统进程异步系统中,而且有有有兩个系统进程不可靠,不在 就不趋于稳定有有兩个协议,此协议能保证有限时间内使所有系统进程达成一致。

  由此可见,拜占庭将军疑问在有有兩个分布式系统中,是有有兩个非常有挑战性的疑问。可能分布式系统不在 依靠同步通信,而且性能和速度将非常低。而且寻找这人实用的避免拜占庭将军疑问的算法一直是分布式计算领域中的有有兩个重要疑问。

在这里,亲戚亲戚让让我们先给出分布式计算蕴含关拜占庭缺陷和故障的有有兩个定义:

  定义1:拜占庭缺陷(Byzantine Fault):任何观察者无须同角度看,表现出不同症状的缺陷。

  定义2:拜占庭故障(Byzantine Failure):在都要共识的系统中可能拜占庭缺陷因为丧失系统服务。 

  在分布式系统中,回会 所有的缺陷或故障都能称作拜占庭缺陷或故障。像死机、丢消息等缺陷或故障不在 算为拜占庭缺陷或故障。拜占庭缺陷或故障是最严重缺陷或故障,拜占庭缺陷有不可预测、任意性的缺陷,例如遭黑客破坏,中木马的服务器而且有有兩个拜占庭服务器。

  在有有兩个有拜占庭缺陷趋于稳定的分布式系统中,所有的系统进程回会 有有兩个初始值。在这人情况报告下,共识疑问(Consensus Problem),而且要寻找有有兩个算法和协议,使得该协议满足以下有有兩个属性。

  1)一致性(Agreement):所有的非缺陷系统进程都都要同意同有有兩个值。

  2)正确性(Validity):可能所有的非缺陷的系统进程有相同的初始值,不在 所有非缺陷的系统进程所同意的值都随后 同有有兩个初始值。

  3)可开始英文英文性(Termination):每个非缺陷的系统进程都要最终选折 有有兩个值。

  根据Fischer-Lynch-Paterson的理论,在异步通信的分布式系统中,而且有有有兩个拜占庭缺陷的系统进程,就可能找到有有兩个共识算法,可并肩满足上述要求的一致性、正确性和可开始英文英文性要求。在实际情况报告下,根据不同的假设条件,有什么都不同的共识算法被设计出来。哪几种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:

  在再次出現比特币前一天,避免分布式系统一致性疑问主而且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,从前的系统的不在 不诚实的节点(不用发送虚假错误消息,但允许再次出現网络不通或宕机再次出現的消息延迟)。

  中本聪在比特币中创造性的引入了“工作量证明(POW : Proof of Work)”来避免这人疑问,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,降低节点发送消息速度,从前就以保证在有有兩个时间不在 有有兩个节点(或是很少)在进行广播,并肩在广播回会 附上买车人的签名。

  这人过程就像一位将军A在向有些的将军(B、C、D…)发起有有兩个进攻提议一样,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,而不用发起买车人新的进攻提议。

  以上而且比特币网络中是单个区块(账本)达成共识的法律法子(取得一致性)。

  理解了单个区块取得一致性的法律法子,不在 整个区块链(总账本)可能达成一致也好理解。

  亲戚亲戚让让我们稍微把将军疑问改一下:

  假设攻下有有兩个城堡都要多次的进攻,每次进攻的提议都要基于前一天最多次数的胜利进攻下提出的(不在 从前敌方已有损失最大,我方进攻胜利的可能就更大),从前约定前一天,将军A在收到进攻提议时,就会检查一下这人提议是回会 基于最多的胜利提出的,可能回会 (基于最多的胜利)将军A就不用同意从前的提议,可能是的,将军A就会把这次提议记下来。这而且比特币网络最长链选折  (猛击!)


 经济学分析

  工作量证明我我觉得大约提高了做叛徒(发布虚假区块)的成本,在工作量证明下,不在 第有有兩个完成证明的节点并能广播区块,竞争难度非常大,都要很高的算力,可能不成功其算力就硬疼耗费了(算力是都要成本的),可能有从前的算力作为诚实的节点,同样也都要获得很大的收益(这而且矿工所作的工作),这也实际就不用有做叛徒的动机,整个系统也而且而更稳定。

  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回会 损害矿工自身的利益。而且,即使有些比特币矿池具备强大的算力,它们都不在 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都要展示其理论上的可行性而缺陷实用性另外,还都要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可能。

总结:共识算法的核心而且避免拜占庭将军疑问(分布式网络一致性疑问)。


 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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