[区块链] 拜占庭将军问题 [BFT]

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背景:

  拜占庭将军现象报告 但是人但是听过,但谁能谁能告诉我具体是哪些地方意思。没法究竟哪些地方是拜占庭将军现象报告 呢? 本文从最通俗的故事讲起,并对该现象报告 进行抽象,并告诉有人 拜占庭将军现象报告 为哪些地方在区块链领域作为没法 重点研究现象报告 。

哪些地方是拜占庭将军现象报告 :

  “拜占庭将军现象报告 ”也被称为“拜占庭容错”。

  拜占庭将军现象报告 是Leslie Lamport(2013年的图灵讲得住)用来为描述分布式系统一致性现象报告 (Distributed Consensus)在论文中抽象出来没法 著名的例子。

  什儿 例子大意是没法 的:

  拜占庭帝国让你 进攻没法 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齐袭击。这10支军队在分开的包围情况表下一齐攻击。有人 任一支军队单独进攻都毫无胜算,除非有共要6支军队(一半以上)一齐袭击能否攻下敌国。有人 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。困扰哪些地方地方将军的现象报告 是,有人 不选用有人 中与非 有叛徒,叛徒但是擅自变更进攻意向但是进攻时间。在什儿 情况表下,拜占庭将军们能否保证有多于6支军队在同一时间一齐发起进攻,从而赢取战斗? 

注:“  拜占庭将军现象报告 中太少去考虑通信兵与非 会被截获或无法传达信息等现象报告 ,即消息传递的信道绝无现象报告 。Lamport但是证明了在消息但是丢失的不可靠信道上试图通过消息传递的最好的依据达到一致性是太少是的。但是,在研究拜占庭将军现象报告 的时候,但是假定了信道是没法现象报告 的。 ”


 通俗分析:

  单从上方的说明但是无法理解什儿 现象报告 的繁杂性,有人 来简单分析一下:

  先看在没法叛徒情况表下,但是没法 将军A提没法 进攻提议(如:明日下午1点进攻,你让你 加入吗?)由通信兵通信分别告诉有些的将军,但是幸运中的幸运,他收到了有些6位将军以上的同意,发起进攻。也太少幸,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,你让你 加入吗?),但是时间上的差异,不同的将军收到(并认可)的进攻提议但是是不一样的,这是也没了先A提议三个支持者,B提议有没法 支持者,C提议有没法 支持者等等。

  上加有些繁杂性,在有叛徒情况表下,没法 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),没法 叛徒也会但是同意多个进攻提议(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”,而能否补救拜占庭错误的什儿 容错性称为「Byzantine fault tolerance」,简称为BFT。


现象报告 抽象:

  求解拜占庭将军现象报告 ,隐含要满足以下没法 条件:

  1)每个忠诚的将军还要收到相同的命令值vi(vi是第i个将军的命令)。

  2)但是第i个将军是忠诚的,没法他发送的命令和每个忠诚将军收到的vi相同。

  于是,拜占庭将军现象报告 的还能否描述为:没法 发送命令的将军要发送没法 命令给其余n-没法 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.但是发送命令的将军是忠诚的,没法所有忠诚的接收命令的将军遵守所接收的命令。

  Lamport对拜占庭将军现象报告 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),还能否构造一齐满足IC1和IC2的补救方案,即将军们还能否达成一致的命令。但但是通信是可认证、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(共要得有没法 忠诚将军)的情况表下都还能否找到补救方案。

  而在异步通信情况表下,情况表就没法没法乐观。Fischer-Lynch-Paterson定理证明了,但是有没法 叛徒处于,拜占庭将军现象报告 就无解。翻译成分布式计算语言,在另没法 程序运行异步系统中,但是有没法 程序运行不可靠,没法就不处于没法 协议,此协议能保证有限时间内使所有程序运行达成一致。

  由此可见,拜占庭将军现象报告 在没法 分布式系统中,是没法 非常有挑战性的现象报告 。但是分布式系统能否依靠同步通信,但是性能和数率将非常低。但是寻找有什儿 实用的补救拜占庭将军现象报告 的算法总爱是分布式计算领域中的没法 重要现象报告 。

在这里,有人 先给出分布式计算暗含关拜占庭缺陷和故障的没法 定义:

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

  定义2:拜占庭故障(Byzantine Failure):在还要共识的系统中但是拜占庭缺陷意味 丧失系统服务。 

  在分布式系统中,全部一定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能否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,相似遭黑客破坏,中木马的服务器但是没法 拜占庭服务器。

  在没法 有拜占庭缺陷处于的分布式系统中,所有的程序运行全部一定会没法 初始值。在什儿 情况表下,共识现象报告 (Consensus Problem),也太少寻找没法 算法和协议,使得该协议满足以下没法 属性。

  1)一致性(Agreement):所有的非缺陷程序运行都还要同意同没法 值。

  2)正确性(Validity):但是所有的非缺陷的程序运行有相同的初始值,没法所有非缺陷的程序运行所同意的值还但是同没法 初始值。

  3)可时候刚结束性(Termination):每个非缺陷的程序运行还要最终选用没法 值。

  根据Fischer-Lynch-Paterson的理论,在异步通信的分布式系统中,但是有没法 拜占庭缺陷的程序运行,就太少是找到没法 共识算法,可一齐满足上述要求的一致性、正确性和可时候刚结束性要求。在实际情况表下,根据不同的假设条件,有也太少同的共识算法被设计出来。哪些地方地方算法各有优势和局限。算法的假设条件有以下几种情况表:

  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。


中本聪的补救方案:

  在出先比特币时候,补救分布式系统一致性现象报告 主但是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,没法 的系统的没法不诚实的节点(太少发送虚假错误消息,但允许出先网络不通或宕机出先的消息延迟)。

  中本聪在比特币中创造性的引入了“工作量证明(POW : Proof of Work)”来补救什儿 现象报告 ,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,降低节点发送消息数率,没法 就以保证在没法 时间能否没法 节点(或是很少)在进行广播,一齐在广播一定会附上自己的签名。

  什儿 过程就像一位将军A在向有些的将军(B、C、D…)发起没法 进攻提议一样,将军B、C、D…想看 将军A签过名的进攻提议书,但是是诚实的将军就会立刻同意进攻提议,而太少发起自己新的进攻提议。

  以上但是比特币网络中是单个区块(账本)达成共识的最好的依据(取得一致性)。

  理解了单个区块取得一致性的最好的依据,没法整个区块链(总账本)但是达成一致也好理解。

  有人 稍微把将军现象报告 改一下:

  假设攻下没法 城堡还要多次的进攻,每次进攻的提议还要基于时候最多次数的胜利进攻下提出的(能否没法 敌方已有损失最大,我方进攻胜利的但是性就更大),没法 约定时候,将军A在收到进攻提议时,就会检查一下什儿 提议是全部一定会基于最多的胜利提出的,但是全部一定会(基于最多的胜利)将军A就太少同意没法 的提议,但是是的,将军A就会把这次提议记下来。这但是比特币网络最长链选用 (猛击!)


 经济学分析

  工作量证明虽然共要提高了做叛徒(发布虚假区块)的成本,在工作量证明下,能否第没法 完成证明的节点能否广播区块,竞争难度非常大,还要很高的算力,也太少成功其算力就硬疼耗费了(算力是还要成本的),但是有没法 的算力作为诚实的节点,同样也还能否获得很大的收益(这但是矿工所作的工作),这也实际就太少有做叛徒的动机,整个系统也但是而更稳定。

  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一定会损害矿工自身的利益。但是,即使有些比特币矿池具备强大的算力,它们都没法作恶的动机,反而有动力维护比特币的正常运行,但是这和它们的切实利益相关。

  注:原始的拜占庭容错系统但是还要展示其理论上的可行性而缺陷实用性另外,还还要额外的时钟同步机制支持算法的繁杂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繁杂度,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但是。

总结:共识算法的核心但是补救拜占庭将军现象报告 (分布式网络一致性现象报告 )。


 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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