[区块链] 拜占庭将军问题 [BFT]

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背景:

  拜占庭将军大问题所以人不可能 听过,但告诉我具体是哪些地方意思。非要究竟哪些地方是拜占庭将军大问题呢? 本文从最通俗的故事讲起,并对该大问题进行抽象,并告诉你们都 儿拜占庭将军大问题为哪些地方在区块链领域作为好几次 重点研究大问题。

哪些地方是拜占庭将军大问题:

  “拜占庭将军大问题”也被称为“拜占庭容错”。

  拜占庭将军大问题是Leslie Lamport(2013年的图灵讲得住)用来为描述分布式系统一致性大问题(Distributed Consensus)在论文中抽象出来好几次 著名的例子。

  這個例子大意是曾经的:

  拜占庭帝国只是进攻好几次 强大的敌人,为此派出了10支军队去包围這個敌人。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一并袭击。这10支军队在分开的包围请况下一并攻击。你们都 儿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)一并袭击能够攻下敌国。你们都 儿分散在敌国的四周,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大问题是,你们都 儿不选者你们都 儿中与算是叛徒,叛徒不可能 擅自变更进攻意向不可能 进攻时间。在這個请况下,拜占庭将军们能够保证有多于6支军队在同一时间一并发起进攻,从而赢取战斗? 

注:“  拜占庭将军大问题中不不说去考虑通信兵算是会被截获或无法传达信息等大问题,即消息传递的信道绝无大问题。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最好的妙招达到一致性是不不可能 的。所以,在研究拜占庭将军大问题的事先 ,不可能 假定了信道是非要大问题的。 ”


 通俗分析:

  单从上边的说明不可能 无法理解這個大问题的错综错综复杂,你们都 儿来简单分析一下:

  先看在非要叛徒请况下,只是我我好几次 将军A提好几次 进攻提议(如:明日下午1点进攻,你只是加入吗?)由通信兵通信分别告诉所以的将军,不可能 幸运中的幸运,他收到了所以6位将军以上的同意,发起进攻。不可能 不幸,所以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,你只是加入吗?),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 总爱总爱出现A提议有五个支持者,B提议好几次 多支持者,C提议好几次 多支持者等等。

  加进去去所以错综错综复杂,在有叛徒请况下,好几次 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),好几次 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”,而能够处里拜占庭错误的這個容错性称为「Byzantine fault tolerance」,简称为BFT。


大问题抽象:

  求解拜占庭将军大问题,隐含要满足以下好几次 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)不可能 第i个将军是忠诚的,非要他发送的命令和每个忠诚将军收到的vi相同。

  于是,拜占庭将军大问题的还都要描述为:好几次 发送命令的将军要发送好几次 命令给其余n-好几次 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,非要所有忠诚的接收命令的将军遵守所接收的命令。

  Lamport对拜占庭将军大问题的研究表明,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),还都要构造一并满足IC1和IC2的处里方案,即将军们还都要达成一致的命令。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(共要得好几次 多忠诚将军)的请况下都还都要找到处里方案。

  而在异步通信请况下,请况就非要非要乐观。Fischer-Lynch-Paterson定理证明了,只是我好几次 叛徒发生,拜占庭将军大问题就无解。翻译成分布式计算语言,在好几次 守护进程池池异步系统中,只是我好几次 守护进程池池不可靠,非要就不发生好几次 协议,此协议能保证有限时间内使所有守护进程池池达成一致。

  由此可见,拜占庭将军大问题在好几次 分布式系统中,是好几次 非常有挑战性的大问题。不可能 分布式系统非要依靠同步通信,只是性能和速率单位单位将非常低。只是寻找這個实用的处里拜占庭将军大问题的算法总爱是分布式计算领域中的好几次 重要大问题。

在这里,你们都 儿先给出分布式计算所含关拜占庭不足和故障的好几次 定义:

  定义1:拜占庭不足(Byzantine Fault):任何观察者不不说同速率单位看,表现出不同症状的不足。

  定义2:拜占庭故障(Byzantine Failure):在都要共识的系统中不可能 拜占庭不足原困丧失系统服务。 

  在分布式系统中,都在所有的不足或故障都能称作拜占庭不足或故障。像死机、丢消息等不足或故障非要算为拜占庭不足或故障。拜占庭不足或故障是最严重不足或故障,拜占庭不足有不可预测、任意性的不足,同类遭黑客破坏,中木马的服务器只是好几次 拜占庭服务器。

  在好几次 有拜占庭不足发生的分布式系统中,所有的守护进程池池都好几次 初始值。在這個请况下,共识大问题(Consensus Problem),只是要寻找好几次 算法和协议,使得该协议满足以下好几次 属性。

  1)一致性(Agreement):所有的非不足守护进程池池都都要同意同好几次 值。

  2)正确性(Validity):不可能 所有的非不足的守护进程池池有相同的初始值,非要所有非不足的守护进程池池所同意的值都只是同好几次 初始值。

  3)可开始英文英文性(Termination):每个非不足的守护进程池池都要最终选者好几次 值。

  根据Fischer-Lynch-Paterson的理论,在异步通信的分布式系统中,只是我好几次 拜占庭不足的守护进程池池,就不不可能 找到好几次 共识算法,可一并满足上述要求的一致性、正确性和可开始英文英文性要求。在实际请况下,根据不同的假设条件,有所以不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请况:

  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。


中本聪的处里方案:

  在总爱总爱出现比特币事先 ,处里分布式系统一致性大问题主只是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,曾经的系统的非要不诚实的节点(不不发送虚假错误消息,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)”来处里這個大问题,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率单位单位,曾经就以保证在好几次 时间只好几次 节点(或是很少)在进行广播,一并在广播前会 附上本人的签名。

  這個过程就像一位将军A在向所以的将军(B、C、D…)发起好几次 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,而不不发起本人新的进攻提议。

  以上只是比特币网络中是单个区块(账本)达成共识的最好的妙招(取得一致性)。

  理解了单个区块取得一致性的最好的妙招,非要整个区块链(总账本)不可能 达成一致也好理解。

  你们都 儿稍微把将军大问题改一下:

  假设攻下好几次 城堡都要多次的进攻,每次进攻的提议都要基于事先 最多次数的胜利进攻下提出的(非要曾经敌方已有损失最大,我方进攻胜利的不可能 性就更大),曾经约定事先 ,将军A在收到进攻提议时,就会检查一下這個提议是都在基于最多的胜利提出的,不可能 都在(基于最多的胜利)将军A就不不同意曾经的提议,不可能 是的,将军A就会把这次提议记下来。这只是比特币网络最长链选者 (猛击!)


 经济学分析

  工作量证明觉得共要提高了做叛徒(发布虚假区块)的成本,在工作量证明下,非要第好几次 完成证明的节点能够广播区块,竞争难度非常大,都要很高的算力,不可能 不成功其算力就硬疼耗费了(算力是都要成本的),不可能 有曾经的算力作为诚实的节点,同样也还都要获得很大的收益(这只是矿工所作的工作),这也实际就不不有做叛徒的动机,整个系统也只是而更稳定。

  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前会 损害矿工自身的利益。只是,即使所以比特币矿池具备强大的算力,它们都非要作恶的动机,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 都要展示其理论上的可行性而不足实用性另外,还都要额外的时钟同步机制支持算法的错综复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错综复杂度,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不可能 。

总结:共识算法的核心只是处里拜占庭将军大问题(分布式网络一致性大问题)。


 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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