區(qū)塊鏈技術(shù)科普：什么是拜占庭將軍問題？
拜占庭是古代東羅馬帝國(guó)的首都，它曾經(jīng)是世界上最強(qiáng)大、最富有的城市之一。但是，由于地域廣闊，拜占庭經(jīng)常遭受外敵侵略和內(nèi)部叛亂。為了保衛(wèi)邊境，拜占庭派出了多支軍隊(duì)，由不同的將軍指揮。將軍之間如何達(dá)成信息一致性成了最大問題。
而區(qū)塊鏈與拜占庭將軍問題有著密切的聯(lián)系。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是一種分布式網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)就像拜占庭將軍一樣，需要在不可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中達(dá)成交易和數(shù)據(jù)的共識(shí)。
兩軍問題
兩軍問題是拜占庭問題的一個(gè)特例。
兩軍問題及其無解性證明最早是由E.A. Akkoyunlu、K.Ekanadham和R.V.Huber于1975年在聯(lián)合發(fā)表的論文《網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)的約束與權(quán)衡》(Some Constraints and Trade-offs In The Design of Network Communications)中首次提出。
1978年，JimGray在《數(shù)據(jù)庫(kù)操作系統(tǒng)筆記》書中將這個(gè)問題正式命名為“兩軍問題” (Two General’s Problem)。原本是用來分析在一個(gè)不可靠的通信鏈路上試圖通過通信以達(dá)成一致是存在問題的，后來常被用于闡述分布式系統(tǒng)的一致性和共識(shí)問題。
問題定義
A國(guó)的兩支軍隊(duì)，分別由兩個(gè)將軍領(lǐng)導(dǎo)，正在準(zhǔn)備攻擊B國(guó)的一支軍隊(duì)。B國(guó)的這支軍隊(duì)被包圍在一個(gè)山谷里，A國(guó)的兩只軍隊(duì)A1和A2分別駐扎在山谷兩邊的山頭上，但從A1駐扎地到A2駐扎地，只有唯一的一條山道，且必須經(jīng)過山谷。同時(shí)，B軍的數(shù)量和作戰(zhàn)能力比A1軍和A2軍的任意一支都要強(qiáng)(A軍知道，B軍不知道)，A國(guó)的任意一支軍隊(duì)單獨(dú)去進(jìn)攻B軍，都會(huì)被B軍擊敗，從而讓B軍逃掉，但只要A1軍與A2軍聯(lián)合攻擊，就可以戰(zhàn)勝B軍。
問題：是否可以想出一種能讓A國(guó)的兩支軍隊(duì)的將軍達(dá)成同時(shí)攻擊約定的算法，該算法可包含發(fā)送和接收處理消息?
說答案：經(jīng)典的兩軍問題是無解的，不存在一個(gè)能確保A國(guó)·軍隊(duì)成功協(xié)商一致攻擊B國(guó)的協(xié)議。但在一定的容忍條件下，可以通過一種相對(duì)可靠的方式解決大多數(shù)問題，例如TCP協(xié)議中建立連接的“三次握手”機(jī)制。
拜占庭將軍問題
拜占庭將軍問題是由2013年度圖靈獎(jiǎng)得主萊斯利·蘭波特(Leslie Lamport)在1982年發(fā)表的論文《拜占庭將軍問題》(The Byzantine Generals Problem)中首次提出。拜占庭將軍問題描述了如何在存在惡意行為(如消息被篡改)的情況下實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)的一致性。
拜占庭帝國(guó)的幾支軍隊(duì)將敵城包圍，每支軍隊(duì)都由一名將軍指揮。拜占庭的軍隊(duì)之間只能通過通信兵相互傳達(dá)消息。在觀察敵情之后后，根據(jù)敵城的軍事力量，拜占庭將軍們都得出相同的結(jié)論，只有超過半數(shù)的拜占庭軍隊(duì)共同發(fā)起進(jìn)攻，才能攻破城池，取得勝利。
因此，所有的拜占庭軍隊(duì)必須制定一個(gè)聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃，要么共同進(jìn)攻，要么共同撤退。
但是，情報(bào)部門已經(jīng)知道這些拜占庭軍隊(duì)的將軍中存在叛徒，將試圖破壞忠誠(chéng)的將軍們達(dá)成一致的聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃。同時(shí)，雖然拜占庭軍隊(duì)的通信兵一定能不被敵方截獲且確保送達(dá)消息，但是通信兵中也可能存在叛徒，可能在傳信過程中篡改或偽造消息，也可能丟失消息。
問題求解
如果將拜占庭問題中的攻城軍隊(duì)的將軍數(shù)量對(duì)應(yīng)為分布式系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，可以將符合拜占庭問題條件的分布式系統(tǒng)稱為”拜占庭系統(tǒng)”，
在拜占庭系統(tǒng)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信是保證可達(dá)的，可以得出以下結(jié)論：
對(duì)于一個(gè)拜占庭系統(tǒng)，如果系統(tǒng)總節(jié)點(diǎn)數(shù)為Z，表示叛變將軍的不可靠節(jié)點(diǎn)數(shù)為X，只有當(dāng)Z≥3X+1時(shí)，可由基于拜占庭客容錯(cuò)(BFT)類算法的協(xié)議保證系統(tǒng)的一致性。
在實(shí)際的系統(tǒng)中，一般把由于系統(tǒng)故障導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)不響應(yīng)的情兄歸類為“非拜占庭錯(cuò)誤(Crash Fault)”，把節(jié)點(diǎn)偽造或篡改信息進(jìn)行惡意響應(yīng)的情況歸類為“拜占庭錯(cuò)誤(Byzantine Fault)”。
共識(shí)算法分類
區(qū)塊鏈系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，特別是像比特幣、以太坊等公有鏈系統(tǒng)，由大量高度分散且彼此不信任的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制就是以共識(shí)算法為核心，確保區(qū)塊鏈系統(tǒng)就某個(gè)事物始終能達(dá)成數(shù)據(jù)一致且不產(chǎn)生分叉。
目前，根據(jù)共識(shí)算法容錯(cuò)類型的不同，可以將共識(shí)算法分為非拜占庭容錯(cuò)類(CFT，Crash Fault Tolerance)算法和拜占庭容錯(cuò)類(BFT，ByzantineFault Tolerance)算法。
非拜占庭容錯(cuò)類共識(shí)算法
對(duì)于分布式系統(tǒng)，非拜占庭容錯(cuò)類共識(shí)算法能在節(jié)點(diǎn)發(fā)生系統(tǒng)故障或非計(jì)劃停機(jī)等非拜占庭錯(cuò)誤時(shí)，確保整個(gè)分布式系統(tǒng)的可靠性;但是，當(dāng)系統(tǒng)中存在惡意節(jié)點(diǎn)偽造或篡改數(shù)據(jù)等行為時(shí)，非拜占庭容錯(cuò)算法無法保證系統(tǒng)的可靠性。
因此，非拜占庭容錯(cuò)類共識(shí)算法主要用于實(shí)現(xiàn)封閉的、系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)都受控的企業(yè)吸分布式系統(tǒng)，如某企業(yè)構(gòu)建的內(nèi)部分布式應(yīng)用集群系統(tǒng)或分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)。非拜占庭容錯(cuò)類共識(shí)算法中最有代表性的包括PaxoS算法與Raft算法。
拜占庭容錯(cuò)類共識(shí)算法
拜占庭容錯(cuò)類共識(shí)算法能允許分布式系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生任何類型的錯(cuò)誤但錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)數(shù)量不超過一定比例時(shí)，確保整個(gè)分布式系統(tǒng)的可靠性。簡(jiǎn)單的說，只要分布式系統(tǒng)的故障 (由于非拜占庭錯(cuò)誤或拜占庭錯(cuò)誤導(dǎo)致)節(jié)點(diǎn)數(shù)與系統(tǒng)總節(jié)點(diǎn)數(shù)相比，小于一定比例，拜占庭容錯(cuò)類共識(shí)算法就能保證分布式系統(tǒng)的可靠性。
由于像比特幣、以太坊等區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，存在大量彼此不信任的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，不排除有惡意節(jié)點(diǎn)企圖偽造或篡改系統(tǒng)數(shù)據(jù)，因此，拜占庭容錯(cuò)類共識(shí)算法是區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制主要采用的共識(shí)算法。拜占庭容錯(cuò)類共識(shí)算法中最有代表性的包括PBFT實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法、PoW工作量證明算法、PoS權(quán)益證明算法等。
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