拜占庭将军问题

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拜占庭将军问题（Byzantine failures），是由莱斯利·兰伯特提出的点对点通信中的基本问题。含义是在存在消息丢失的不可靠信道上试图通过消息传递的方式达到一致性是不可能的。

拜占庭位于如今的土耳其的伊斯坦布尔，是东罗马帝国的首都。由于当时拜占庭罗马帝国国土辽阔，为了达到防御目的，每个军队都分隔很远，将军与将军之间只能靠信差传消息。在战争的时候，拜占庭军队内所有将军和副官必须达成一致的共识，决定是否有赢的机会才去攻打敌人的阵营。但是，在军队内有可能存有叛徒和敌军的间谍，左右将军们的决定又扰乱整体军队的秩序。在进行共识时，结果并不代表大多数人的意见。这时候，在已知有成员谋反的情况下，其余忠诚的将军在不受叛徒的影响下如何达成一致的协议，拜占庭问题就此形成。

拜占庭将军问题是一个协议问题，拜占庭帝国军队的将军们必须全体一致的决定是否攻击某一支敌军。问题是这些将军在地理上是分隔开来的，并且将军中存在叛徒。叛徒可以任意行动以达到以下目标：欺骗某些将军采取进攻行动；促成一个不是所有将军都同意的决定，如当将军们不希望进攻时促成进攻行动；或者迷惑某些将军，使他们无法做出决定。如果叛徒达到了这些目的之一，则任何攻击行动的结果都是注定要失败的，只有完全达成一致的努力才能获得胜利。

拜占庭假设是对现实世界的模型化，由于硬件错误、网络拥塞或断开以及遭到恶意攻击，计算机和网络可能出现不可预料的行为。

区块链轻而易举地解决了这一问题，它为信息发送加入了成本，降低了信息传递的速率，而且加入了一个随机元素使得在一定时间内只有一个将军可以广播信息。这里所说的成本就是区块链系统中基于随机哈希算法的“工作量证明”。哈希算法所做的事情就是计算获得的输入，得到一串64位的随机数字和字母的字符串。

区块链系统计算的输入数据是指节点发送的当前时间点的整个总账。当前计算机的算力使其可以实时计算出单个哈希值，但是区块链系统只接受前13个字符是0的哈希值结果作为“工作量证明”。而前13个字符是0的哈希值是非常罕见的，需要整个网络花费10分钟的时间才在数以亿计的数据中找到一个。在一个有效的哈希值被计算出来之前，网络中已经生产了无数个无效值，这就是降低信息传递速率并使得整个系统成功运行的“工作量证明”。

在拜占庭将军问题中，第一个广播信息的将军就是第一个发现有效哈希值的计算机，只要其他将军接收到并验证通过了这个有效哈希值和附着在上面的信息，他们就只能使用新的信息更新他们的总账复制，然后重新计算哈希值。下一个计算出有效哈希值的将军就可以将自己再次更新的信息附着在有效哈希值上广播给大家。然后哈希计算竞赛从一个新的开始点重新开始。由于网络信息的持续同步，所有网络上的计算机都使用着同一版本的总账。

比特币区块链系统找到有效哈希值的时间间隔为10分钟，这是算法设置好的。算法难度每隔两周调整一次就是为了保证这10分钟的间隔，不能多也不能少。每隔10分钟，总账的信息就会在区块链更新并在全网同步一次。因此分散的交易记录是在所有网络上的计算机之间进行对账和同步的。

“拜占庭将军问题”可以进一步延伸到各个领域。人们在互联网上进行数据交易的时候，总会习惯性依赖强大的第三方平台来进行信任担保。然而，这些解决人们信任问题的第三方正在逐渐失效，因为总有黑客能够抓住第三方平台的漏洞进行金融诈骗。“拜占庭将军问题”中的“叛徒”就是互联网金融交易中的“骗子”，如果第三方平台出现了大漏洞或者为了规避过多的步骤将第三方信任机构撤走，“叛徒”就会利用信息在没有第三方信任机构的担保之下进行“行骗”。在不去花费大量时间、资源揪出这个“叛徒”的情况下，能够让交易者双方都彼此信任、进行正常交易的方式就是区块链。

当个人用户在区块链系统发起一笔交易的时候，他们会使用私钥和公钥为这笔交易签名，而内嵌在比特币系统的标准公钥则承担了加密工具的角色，对应在拜占庭将军问题中，加密工具就是用于签名和验证消息的印章。

因此，哈希算法对信息传递速率的限制加上加密工具使得区块链构成了一个无须信任的数据交互系统。在区块链上，一系列的交易、时间约定、域名记录、政治投票系统或者任何其他需要建立分布式协议的地方，参与者都可以达成一致。

互联网中的拜占庭将军问题互联网中的拜占庭将军问题是指在信道传输的过程中，部分节点可能会由于工作量过大或遭到某些恶意攻击而导致难以实现信息同步。1999年，Miguel Castro和Barbara Liskov提出了拜占庭容错算法，认为：如果系统中有 2/3 的节点是正常工作的，可以保证系统的一致性和正确性。后来中本聪提出比特币的工作量证明机制和非对称加密算法，又为拜占庭将军问题提供了一种新的解决方法。

拜占庭容错算法假设有n个将军，t个叛徒。当 n=3，t=1，此时A、B、C三人中有一人是叛徒。若A发出【进攻】命令，但叛徒B告诉C【撤退】，这时候C就无法做出判断；若叛徒B向A发出【进攻】命令，向C发出【撤退】命令，此时A、C就无法保持一致，因此当叛徒数大于或等于1/3时，拜占庭问题无法解决。同理，假设网络节点总数为N，恶意节点数为T，只有当 Ngt;=3T+1，即网络中的正常节点数至少有（2/3）N时，问题才能被解决，从而保证信息的一致性。在网络通信可靠的情况下，拜占庭容错算法可以在一定程度上解决节点故障问题，使系统达成共识。

工作量证明（PoW）机制假设将军A首先发出【进攻】命令并附上自己的签章，其他将军接收后，如果也打算进攻，就会在将军A的命令后面跟上【进攻】命令以及自己的签章。如果A发出【进攻】命令后却没执行，其他将军就可判断A是叛徒，并借此来分辨信息正误。同理，多个参与节点会通过一系列工作得出一个结果，第一个得出结果的节点会进行全网广播。如果该结果正确，则其他节点会把结果添加到自己的账本中，为争取到下一笔交易的记账权做好计算准备。黑客必须拥有超过51%的算力才能够破坏网络安全或发布虚假区块，这种做法的花费远大于收益。因此，使用该机制能够降低虚假信息出现的可能性，使系统能够更快达成共识。

非对称加密算法非对称加密算法的加密和解密需要两个不同的秘钥——公钥和私钥，两者一般成对出现。如果A想给B发消息，那么A需用B公开的公钥对信息加密，B则需用自己的私钥对信息解密。如果B想表明自己的身份，可以私钥签名写一段“签名文本”并进行广播，其他人可以根据B的公钥来验证他的身份。由于身份和签名是不可伪造的，非对称加密算法保证了传输过程的私密性和签名不完全可信问题。

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