[区块链] 拜占庭将军问题 [BFT]

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背景:

  拜占庭将军疑问报告 过多人肯能听过,但我过多我知道具体是哪些地方意思。那末 究竟哪些地方是拜占庭将军疑问报告 呢? 本文从最通俗的故事讲起,并对该疑问报告 进行抽象,并告诉我们我们我们都 拜占庭将军疑问报告 为哪些地方在区块链领域作为有另一一还还有一个 重点研究疑问报告 。

哪些地方是拜占庭将军疑问报告 :

  “拜占庭将军疑问报告 ”也被称为“拜占庭容错”。

  拜占庭将军疑问报告 是Leslie Lamport(2013年的图灵讲得住)用来为描述分布式系统一致性疑问报告 (Distributed Consensus)在论文中抽象出来有另一一还还有一个 著名的例子。

  這個 例子大意是另有另一一还还有一个 的:

  拜占庭帝国我应该 进攻有另一一还还有一个 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齐袭击。这10支军队在分开的包围情况表下一齐攻击。我们我们我们都 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)一齐袭击不还可不可不可以攻下敌国。我们我们我们都 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疑问报告 是,我们我们我们都 不选折 我们我们我们都 中是否是叛徒,叛徒肯能擅自变更进攻意向肯能进攻时间。在這個 情况表下,拜占庭将军们不还可不可不可以保证有多于6支军队在同一时间一齐发起进攻,从而赢取战斗? 

注:“  拜占庭将军疑问报告 中未必去考虑通信兵否是会被截获或无法传达信息等疑问报告 ,即消息传递的信道绝无疑问报告 。Lamport肯能证明了在消息肯能丢失的不可靠信道上试图通过消息传递的土最好的办法达到一致性是不肯能的。过多,在研究拜占庭将军疑问报告 的前一天,肯能假定了信道是那末 疑问报告 的。 ”


 通俗分析:

  单从后边的说明肯能无法理解這個 疑问报告 的冗杂性,我们我们我们都 来简单分析一下:

  先看在那末 叛徒情况表下,我希望有另一一还还有一个 将军A提有另一一还还有一个 进攻提议(如:明日下午1点进攻,你我应该 加入吗?)由通信兵通信分别告诉许多的将军,肯能幸运中的幸运,他收到了许多6位将军以上的同意,发起进攻。肯能不幸,许多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,你我应该 加入吗?),肯能时间上的差异,不同的将军收到(并认可)的进攻提议肯能是不一样的,这是肯能再次出现A提议有还还有一个支持者,B提议有有另一一还还有一个 支持者,C提议有有另一一还还有一个 支持者等等。

  上加许多冗杂性,在有叛徒情况表下,有另一一还还有一个 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),有另一一还还有一个 叛徒也会肯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”,而不让还可不可不可以除理拜占庭错误的這個 容错性称为「Byzantine fault tolerance」,简称为BFT。


疑问报告 抽象:

  求解拜占庭将军疑问报告 ,隐含要满足以下有另一一还还有一个 条件:

  1)每个忠诚的将军时要收到相同的命令值vi(vi是第i个将军的命令)。

  2)肯能第i个将军是忠诚的,那末 他发送的命令和每个忠诚将军收到的vi相同。

  于是,拜占庭将军疑问报告 的都时要描述为:有另一一还还有一个 发送命令的将军要发送有另一一还还有一个 命令给其余n-有另一一还还有一个 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.肯能发送命令的将军是忠诚的,那末 所有忠诚的接收命令的将军遵守所接收的命令。

  Lamport对拜占庭将军疑问报告 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),都时要构造一齐满足IC1和IC2的除理方案,即将军们都时要达成一致的命令。但肯能通信是可认证、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(共要得有有另一一还还有一个 忠诚将军)的情况表下都都时要找到除理方案。

  而在异步通信情况表下,情况表就那末 那末 乐观。Fischer-Lynch-Paterson定理证明了,我希望有有另一一还还有一个 叛徒占据 ,拜占庭将军疑问报告 就无解。翻译成分布式计算语言,在有有另一一还还有一个 任务管理器异步系统中,我希望有有另一一还还有一个 任务管理器不可靠,那末 就不占据 有另一一还还有一个 协议,此协议能保证有限时间内使所有任务管理器达成一致。

  由此可见,拜占庭将军疑问报告 在有另一一还还有一个 分布式系统中,是有另一一还还有一个 非常有挑战性的疑问报告 。肯能分布式系统非要依靠同步通信,过多我性能和速率单位将非常低。过多我寻找三种 实用的除理拜占庭将军疑问报告 的算法一直是分布式计算领域中的有另一一还还有一个 重要疑问报告 。

在这里,我们我们我们都 先给出分布式计算暗含关拜占庭严重不足和故障的有另一一还还有一个 定义:

  定义1:拜占庭严重不足(Byzantine Fault):任何观察者未必同深度看,表现出不同症状的严重不足。

  定义2:拜占庭故障(Byzantine Failure):在时要共识的系统中肯能拜占庭严重不足原应 丧失系统服务。 

  在分布式系统中,不会所有的严重不足或故障都能称作拜占庭严重不足或故障。像死机、丢消息等严重不足或故障非要算为拜占庭严重不足或故障。拜占庭严重不足或故障是最严重严重不足或故障,拜占庭严重不足有不可预测、任意性的严重不足,累似 遭黑客破坏,中木马的服务器过多我有另一一还还有一个 拜占庭服务器。

  在有另一一还还有一个 有拜占庭严重不足占据 的分布式系统中,所有的任务管理器不会有另一一还还有一个 初始值。在這個 情况表下,共识疑问报告 (Consensus Problem),过多我要寻找有另一一还还有一个 算法和协议,使得该协议满足以下有另一一还还有一个 属性。

  1)一致性(Agreement):所有的非严重不足任务管理器都时要同意同有另一一还还有一个 值。

  2)正确性(Validity):肯能所有的非严重不足的任务管理器有相同的初始值,那末 所有非严重不足的任务管理器所同意的值时却说我同有另一一还还有一个 初始值。

  3)可刚始于性(Termination):每个非严重不足的任务管理器时要最终选折 有另一一还还有一个 值。

  根据Fischer-Lynch-Paterson的理论,在异步通信的分布式系统中,我希望有有另一一还还有一个 拜占庭严重不足的任务管理器,就不肯能找到有另一一还还有一个 共识算法,可一齐满足上述要求的一致性、正确性和可刚始于性要求。在实际情况表下,根据不同的假设条件,有过多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。


中本聪的除理方案:

  在再次出现比特币前一天,除理分布式系统一致性疑问报告 主过多我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,另有另一一还还有一个 的系统的那末 不诚实的节点(不让发送虚假错误消息,但允许再次出现网络不通或宕机再次出现的消息延迟)。

  中本聪在比特币中创造性的引入了“工作量证明(POW : Proof of Work)”来除理這個 疑问报告 ,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,降低节点发送消息速率单位,另有另一一还还有一个 就以保证在有另一一还还有一个 时间非要有另一一还还有一个 节点(或是很少)在进行广播,一齐在广播不会附上此人 的签名。

  這個 过程就像一位将军A在向许多的将军(B、C、D…)发起有另一一还还有一个 进攻提议一样,将军B、C、D…看得人将军A签过名的进攻提议书,肯能是诚实的将军就会立刻同意进攻提议,而不让发起此人 新的进攻提议。

  以上过多我比特币网络中是单个区块(账本)达成共识的土最好的办法(取得一致性)。

  理解了单个区块取得一致性的土最好的办法,那末 整个区块链(总账本)肯能达成一致也好理解。

  我们我们我们都 稍微把将军疑问报告 改一下:

  假设攻下有另一一还还有一个 城堡时要多次的进攻,每次进攻的提议时要基于前一天最多次数的胜利进攻下提出的(非要另有另一一还还有一个 敌方已有损失最大,我方进攻胜利的肯能性就更大),另有另一一还还有一个 约定前一天,将军A在收到进攻提议时,就会检查一下這個 提议是不会基于最多的胜利提出的,肯能不会(基于最多的胜利)将军A就不让同意另有另一一还还有一个 的提议,肯能是的,将军A就会把这次提议记下来。这过多我比特币网络最长链选折  (猛击!)


 经济学分析

  工作量证明实在共要提高了做叛徒(发布虚假区块)的成本,在工作量证明下,非要第有另一一还还有一个 完成证明的节点不还可不可不可以广播区块,竞争难度非常大,时要很高的算力,肯能不成功其算力就很硬耗费了(算力是时要成本的),肯能有另有另一一还还有一个 的算力作为诚实的节点,同样也都时要获得很大的收益(这过多我矿工所作的工作),这也实际就不让有做叛徒的动机,整个系统却说我多我而更稳定。

  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不会损害矿工自身的利益。过多我,即使许多比特币矿池具备强大的算力,它们都那末 作恶的动机,反而有动力维护比特币的正常运行,肯能这和它们的切实利益相关。

  注:原始的拜占庭容错系统肯能时要展示其理论上的可行性而严重不足实用性另外,还时要额外的时钟同步机制支持算法的冗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冗杂度,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肯能。

总结:共识算法的核心过多我除理拜占庭将军疑问报告 (分布式网络一致性疑问报告 )。


 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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