[区块链] 拜占庭将军问题 [BFT]

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背景:

  拜占庭将军问题图片统统 人不可能 听过,但我不知道具体是那此意思。没办法 究竟那此是拜占庭将军问题图片呢? 本文从最通俗的故事讲起,并对该问题图片进行抽象,并告诉亲戚朋友拜占庭将军问题图片为那此在区块链领域作为还还有一个多 重点研究问题图片。

那此是拜占庭将军问题图片:

  “拜占庭将军问题图片”也被称为“拜占庭容错”。

  拜占庭将军问题图片是Leslie Lamport(2013年的图灵讲得住)用来为描述分布式系统一致性问题图片(Distributed Consensus)在论文中抽象出来还还有一个多 著名的例子。

  你這個例子大意是没办法 的:

  拜占庭帝国很多进攻还还有一个多 强大的敌人,为此派出了10支军队去包围你這個敌人。你這個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形下并肩攻击。朋友任一支军队单独进攻都毫无胜算,除非有合适6支军队(一半以上)并肩袭击才能攻下敌国。朋友分散在敌国的四周,依靠通信兵骑马相互通信来协商进攻意向及进攻时间。困扰那此将军的问题图片是,朋友不选着朋友中是与非 有叛徒,叛徒不可能 擅自变更进攻意向不可能 进攻时间。在你這個情形下,拜占庭将军们才能保证有多于6支军队在同一时间并肩发起进攻,从而赢取战斗? 

注:“  拜占庭将军问题图片中无须去考虑通信兵是与非 会被截获或无法传达信息等问题图片,即消息传递的信道绝无问题图片。Lamport不可能 证明了在消息不可能 丢失的不可靠信道上试图通过消息传递的法律土办法达到一致性是很多可能 的。统统 ,在研究拜占庭将军问题图片的完后 ,不可能 假定了信道是没办法 问题图片的。 ”


 通俗分析:

  单从里边的说明不可能 无法理解你這個问题图片的复杂化性,亲戚朋友来简单分析一下:

  先看在没办法 叛徒情形下,假若还还有一个多 将军A提还还有一个多 进攻提议(如:明日下午1点进攻,你很多加入吗?)由通信兵通信分别告诉其他的将军,不可能 幸运中的幸运,他收到了其他6位将军以上的同意,发起进攻。不可能 不幸,其他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,你很多加入吗?),不可能 时间上的差异,不同的将军收到(并认可)的进攻提议不可能 是不一样的,这是不可能 再次总出 A提议有还还有一个支持者,B提议还还有一个多多 支持者,C提议还还有一个多多 支持者等等。

  打上去其他复杂化性,在有叛徒情形下,还还有一个多 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),还还有一个多 叛徒也会不可能 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”,而才能除理拜占庭错误的你這個容错性称为「Byzantine fault tolerance」,简称为BFT。


问题图片抽象:

  求解拜占庭将军问题图片,隐含要满足以下还还有一个多 条件:

  1)每个忠诚的将军需要收到相同的命令值vi(vi是第i个将军的命令)。

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

  于是,拜占庭将军问题图片的能才能描述为:还还有一个多 发送命令的将军要发送还还有一个多 命令给其余n-还还有一个多 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.不可能 发送命令的将军是忠诚的,没办法 所有忠诚的接收命令的将军遵守所接收的命令。

  Lamport对拜占庭将军问题图片的研究表明,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),能才能构造并肩满足IC1和IC2的除理方案,即将军们能才能达成一致的命令。但不可能 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(合适得还还有一个多多 忠诚将军)的情形下都能才能找到除理方案。

  而在异步通信情形下,情形就没办法 没办法 乐观。Fischer-Lynch-Paterson定理证明了,假若还还有一个多多 叛徒发生,拜占庭将军问题图片就无解。翻译成分布式计算语言,在还还有一个多 应用程序池池池异步系统中,假若还还有一个多多 应用程序池池不可靠,没办法 就不发生还还有一个多 协议,此协议能保证有限时间内使所有应用程序池池达成一致。

  由此可见,拜占庭将军问题图片在还还有一个多 分布式系统中,是还还有一个多 非常有挑战性的问题图片。不可能 分布式系统只有依靠同步通信,而且性能和传输效率将非常低。而且寻找某种实用的除理拜占庭将军问题图片的算法总爱是分布式计算领域中的还还有一个多 重要问题图片。

在这里,亲戚朋友先给出分布式计算蕴含关拜占庭欠缺和故障的还还有一个多 定义:

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

  定义2:拜占庭故障(Byzantine Failure):在需要共识的系统中不可能 拜占庭欠缺是因为丧失系统服务。 

  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只有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,相似遭黑客破坏,中木马的服务器而且还还有一个多 拜占庭服务器。

  在还还有一个多 有拜占庭欠缺发生的分布式系统中,所有的应用程序池池有的是还还有一个多 初始值。在你這個情形下,共识问题图片(Consensus Problem),而且要寻找还还有一个多 算法和协议,使得该协议满足以下还还有一个多 属性。

  1)一致性(Agreement):所有的非欠缺应用程序池池都需要同意同还还有一个多 值。

  2)正确性(Validity):不可能 所有的非欠缺的应用程序池池有相同的初始值,没办法 所有非欠缺的应用程序池池所同意的值需并且同还还有一个多 初始值。

  3)可现在开始英文英文性(Termination):每个非欠缺的应用程序池池需要最终选着还还有一个多 值。

  根据Fischer-Lynch-Paterson的理论,在异步通信的分布式系统中,假若还还有一个多多 拜占庭欠缺的应用程序池池,就很多可能 找到还还有一个多 共识算法,可并肩满足上述要求的一致性、正确性和可现在开始英文英文性要求。在实际情形下,根据不同的假设条件,有统统 不同的共识算法被设计出来。那此算法各有优势和局限。算法的假设条件有以下几种情形:

  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。


中本聪的除理方案:

  在再次总出 比特币完后 ,除理分布式系统一致性问题图片主而且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,没办法 的系统的没办法 不诚实的节点(很多发送虚假错误消息,但允许再次总出 网络不通或宕机再次总出 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)”来除理你這個问题图片,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效率,没办法 就以保证在还还有一个多 时间只还还有一个多多 节点(或是很少)在进行广播,并肩在广播还会 附上此人 的签名。

  你這個过程就像一位将军A在向其他的将军(B、C、D…)发起还还有一个多 进攻提议一样,将军B、C、D…看多将军A签过名的进攻提议书,不可能 是诚实的将军就会立刻同意进攻提议,而很多发起此人 新的进攻提议。

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

  理解了单个区块取得一致性的法律土办法,没办法 整个区块链(总账本)不可能 达成一致也好理解。

  亲戚朋友稍微把将军问题图片改一下:

  假设攻下还还有一个多 城堡需要多次的进攻,每次进攻的提议需要基于完后 最多次数的胜利进攻下提出的(只有没办法 敌方已有损失最大,我方进攻胜利的不可能 性就更大),没办法 约定完后 ,将军A在收到进攻提议时,就会检查一下你這個提议是有的是基于最多的胜利提出的,不可能 有的是(基于最多的胜利)将军A就很多同意没办法 的提议,不可能 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着 (猛击!)


 经济学分析

  工作量证明我我随便说说合适提高了做叛徒(发布虚假区块)的成本,在工作量证明下,只有第还还有一个多 完成证明的节点才能广播区块,竞争难度非常大,需要很高的算力,不可能 不成功其算力就鼓鼓的耗费了(算力是需要成本的),不可能 有没办法 的算力作为诚实的节点,同样才能才能获得很大的收益(这而且矿工所作的工作),这也实际就很多有做叛徒的动机,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还会 损害矿工自身的利益。而且,即使其他比特币矿池具备强大的算力,它们都没办法 作恶的动机,反而有动力维护比特币的正常运行,不可能 这和它们的切实利益相关。

  注:原始的拜占庭容错系统不可能 需要展示其理论上的可行性而欠缺实用性另外,还需要额外的时钟同步机制支持算法的复杂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复杂化度,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不可能 。

总结:共识算法的核心而且除理拜占庭将军问题图片(分布式网络一致性问题图片)。


 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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