[区块链] 拜占庭将军问题 [BFT]

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背景:

  拜占庭将军哪些地方的大问题全都人可能听过,但我想知道具体是哪些地方意思。不用 究竟哪些地方是拜占庭将军哪些地方的大问题呢? 本文从最通俗的故事讲起,并对该哪些地方的大问题进行抽象,并告诉一帮人 拜占庭将军哪些地方的大问题为哪些地方在区块链领域作为一有有一一五个多重点研究哪些地方的大问题。

哪些地方是拜占庭将军哪些地方的大问题:

  “拜占庭将军哪些地方的大问题”也被称为“拜占庭容错”。

  拜占庭将军哪些地方的大问题是Leslie Lamport(2013年的图灵讲得住)用来为描述分布式系统一致性哪些地方的大问题(Distributed Consensus)在论文中抽象出来一有有一一五个多著名的例子。

  这名 例子大意是日后 的:

  拜占庭帝国并且进攻一有有一一五个多强大的敌人,为此派出了10支军队去包围这名 敌人。这名 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报告下一齐攻击。一帮人 任一支军队单独进攻都毫无胜算,除非有要花费6支军队(一半以上)一齐袭击不用 攻下敌国。一帮人 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哪些地方的大问题是,一帮人 不选择一帮人 中是否有叛徒,叛徒可能擅自变更进攻意向可能进攻时间。在这名 情况报告下,拜占庭将军们不用 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:“  拜占庭将军哪些地方的大问题中未必去考虑通信兵是否会被截获或无法传达信息等哪些地方的大问题,即消息传递的信道绝无哪些地方的大问题。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妙招 达到一致性是可能的。全都,在研究拜占庭将军哪些地方的大问题的日后,可能假定了信道是没哪些地方地方的大问题的。 ”


 通俗分析:

  单从顶端的说明可能无法理解这名 哪些地方的大问题的复杂化性,一帮人 来简单分析一下:

  先看在不用 叛徒情况报告下,假若一有有一一五个多将军A提一有有一一五个多进攻提议(如:明日下午1点进攻,你并且加入吗?)由通信兵通信分别告诉一些的将军,可能幸运中的幸运,他收到了一些6位将军以上的同意,发起进攻。可能不幸,一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,你并且加入吗?),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,这是可能出先 A提议有五个支持者,B提议有一有有一一五个多支持者,C提议有一有有一一五个多支持者等等。

  再加一些复杂化性,在有叛徒情况报告下,一有有一一五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),一有有一一五个多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”,而不用 除理拜占庭错误的这名 容错性称为「Byzantine fault tolerance」,简称为BFT。


哪些地方的大问题抽象:

  求解拜占庭将军哪些地方的大问题,隐含要满足以下一有有一一五个多条件:

  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,不用 他发送的命令和每个忠诚将军收到的vi相同。

  于是,拜占庭将军哪些地方的大问题的都要描述为:一有有一一五个多发送命令的将军要发送一有有一一五个多命令给其余n-一有有一一五个多将军,使得:

  IC1.所有忠诚的接收命令的将军遵守相同的命令;

  IC2.可能发送命令的将军是忠诚的,不用 所有忠诚的接收命令的将军遵守所接收的命令。

  Lamport对拜占庭将军哪些地方的大问题的研究表明,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),都要构造一齐满足IC1和IC2的除理方案,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(要花费得有一有有一一五个多忠诚将军)的情况报告下都要找到除理方案。

  而在异步通信情况报告下,情况报告就不用用 乐观。Fischer-Lynch-Paterson定理证明了,假若一有有一一五个多多叛徒处在,拜占庭将军哪些地方的大问题就无解。翻译成分布式计算语言,在一有有一一五个多多系统进程异步系统中,假若一有有一一五个多多系统进程不可靠,不用 就不处在一有有一一五个多协议,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,拜占庭将军哪些地方的大问题在一有有一一五个多分布式系统中,是一有有一一五个多非常有挑战性的哪些地方的大问题。可能分布式系统不用 依靠同步通信,但会 性能和下行下行速率 将非常低。但会 寻找某种生活实用的除理拜占庭将军哪些地方的大问题的算法突然是分布式计算领域中的一有有一一五个多重要哪些地方的大问题。

在这里,一帮人 先给出分布式计算涵盖关拜占庭处在问题和故障的一有有一一五个多定义:

  定义1:拜占庭处在问题(Byzantine Fault):任何观察者未必同层厚看,表现出不同症状的处在问题。

  定义2:拜占庭故障(Byzantine Failure):在都要共识的系统中可能拜占庭处在问题原应丧失系统服务。 

  在分布式系统中,都在所有的处在问题或故障都能称作拜占庭处在问题或故障。像死机、丢消息等处在问题或故障不用 算为拜占庭处在问题或故障。拜占庭处在问题或故障是最严重处在问题或故障,拜占庭处在问题有不可预测、任意性的处在问题,累似 遭黑客破坏,中木马的服务器全都我一有有一一五个多拜占庭服务器。

  在一有有一一五个多有拜占庭处在问题处在的分布式系统中,所有的系统进程都一有有一一五个多多初始值。在这名 情况报告下,共识哪些地方的大问题(Consensus Problem),全都我要寻找一有有一一五个多算法和协议,使得该协议满足以下一有有一一五个多属性。

  1)一致性(Agreement):所有的非处在问题系统进程都都要同意同一有有一一五个多值。

  2)正确性(Validity):可能所有的非处在问题的系统进程有相同的初始值,不用 所有非处在问题的系统进程所同意的值都可是我同一有有一一五个多初始值。

  3)可日后开始性(Termination):每个非处在问题的系统进程都要最终选择一有有一一五个多值。

  根据Fischer-Lynch-Paterson的理论,在异步通信的分布式系统中,假若一有有一一五个多多拜占庭处在问题的系统进程,就可能找到一有有一一五个多共识算法,可一齐满足上述要求的一致性、正确性和可日后开始性要求。在实际情况报告下,根据不同的假设条件,有全都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。


中本聪的除理方案:

  在出先 比特币日后,除理分布式系统一致性哪些地方的大问题主全都我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,日后 的系统的不用 不诚实的节点(不用发送虚假错误消息,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)”来除理这名 哪些地方的大问题,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,降低节点发送消息下行下行速率 ,日后 就以保证在一有有一一五个多时间只一有有一一五个多多节点(或是很少)在进行广播,一齐在广播后该 附上自己的签名。

  这名 过程就像一位将军A在向一些的将军(B、C、D…)发起一有有一一五个多进攻提议一样,将军B、C、D…看完将军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,而不用发起自己新的进攻提议。

  以上全都我比特币网络中是单个区块(账本)达成共识的妙招 (取得一致性)。

  理解了单个区块取得一致性的妙招 ,不用 整个区块链(总账本)可能达成一致也好理解。

  一帮人 稍微把将军哪些地方的大问题改一下:

  假设攻下一有有一一五个多城堡都要多次的进攻,每次进攻的提议都要基于日后最多次数的胜利进攻下提出的(不用 日后 敌方已有损失最大,我方进攻胜利的可能就更大),日后 约定日后,将军A在收到进攻提议时,就会检查一下这名 提议是都在基于最多的胜利提出的,可能都在(基于最多的胜利)将军A就不用同意日后 的提议,可能是的,将军A就会把这次提议记下来。这全都我比特币网络最长链选择 (猛击!)


 经济学分析

  工作量证明着实要花费提高了做叛徒(发布虚假区块)的成本,在工作量证明下,不用 第一有有一一五个多完成证明的节点不用 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),可能有日后 的算力作为诚实的节点,同样也都要获得很大的收益(这全都我矿工所作的工作),这也实际就不用有做叛徒的动机,整个系统也但会 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后该 损害矿工自身的利益。但会 ,即使一些比特币矿池具备强大的算力,它们都不用 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处在问题实用性另外,还都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可能。

总结:共识算法的核心全都我除理拜占庭将军哪些地方的大问题(分布式网络一致性哪些地方的大问题)。


 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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