（三）拜占庭将军问题

前言

因为比特币没有中心节点，各个节点都是平等的，并且可能存在恶意节点，那么怎么达成共识呢？
这里有个著名的拜占庭将军问题。

1. 拜占庭将军问题

拜占庭将军问题是Leslie Lamport（2013年的图灵奖得主）用来为描述分布式系统一致性问题（Distributed Consensus）在论文中抽象出来一个著名的例子。

这个例子大意是这样的：

拜占庭帝国想要进攻一个强大的敌人，为此派出了10支军队去包围这个敌人。这个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同时袭击。他们任一支军队单独进攻都毫无胜算，除非有至少6支军队（一半以上）同时袭击才能攻下敌国。他们分散在敌国的四周，依靠通信兵骑马相互通信来协商进攻意向及进攻时间。困扰这些将军的问题是，他们不确定他们中是否有叛徒，叛徒可能擅自变更进攻意向或者进攻时间。在这种状态下，拜占庭将军们怎么才能保证有多于6支军队在同一时间一起发起进攻，从而赢取战斗？

在拜占庭问题里，各军队最重要的事情是：所有将军如何能过达成共识去攻打敌国或者都不进攻以避免损失。
达成共识并非坐下来开个会那么简单，有的将军心机深不可测，口是心非，如果有叛徒，可能会出现各种问题：

叛徒可能欺骗某些将军自己将采取进攻行动。
叛徒可能怂恿其他将军行动。
叛徒可能迷惑其他将军，使他们接受不一致的信息，从而感到迷惑。

针对拜占庭问题的深入研究，科学家们得出一个结论： 若叛徒数为m，则将军总数n>=3m+1时才有解

解决方案

• 每个将军给其他所有的将军发送消息，然后根据收到的所有消息以少数服从多说的原则决定是否进攻。
  原理如下：

  
  
  

  拜占庭将军问题.PNG

• 这里假设有一个叛徒，则至少有4个将军。如上图所示，假设A,C,D为忠将，B为叛将。进攻为1，不进攻为0。假设A先发给BCD进攻的消息，则CD为忠将，接到进攻的消息后，也将收到的进攻消息发出去。而B为捣乱，会说收到的消息为不进攻。这样ACD都会收到2个进攻1个不进攻，按照少数服从多数原则，他们都会选择进攻，这样发起进攻的军队将会多于50%。

  
  
  

• 假设将军A是叛将，则他会向三位将军发出不同的消息，比如上次的2次进攻，1次不进攻。而BCD三位忠将都会将收到的消息如实发出去。最后少数服从多数原则，三位忠将还是能达成进攻的共识。其他情况大家可以尝试推理一下，都是可以达成共识的。

• 缺点：如果存在大量的节点，每个节点要向全网发送大量消息。

2 . POW共识机制

• PoW（工作量证明 ）通过计算一个数值（ nonce ），使得拼揍上交易数据后内容的 Hash 值满足一定的条件。在节点成功找到满足的Hash值之后，会马上对全网进行广播打包区块，网络的节点收到广播打包区块，会立刻对其进行验证。
  如果验证通过，则表明已经有节点成功解迷，自己就不再竞争当前区块打包，而是选择接受这个区块，记录到自己的账本中，然后进行下一个区块的哈希运算。网络中只有最快算出答案的区块，才会添加到账本中，其他的节点进行复制，这样就保证了整个账本的唯一性。

• 怎么防止恶意节点：要想获得记账权，就要耗费大量的算力去进行哈希运算，付出了很多成本。人是理性的，是逐利的，如果不作恶，正确的记账，就会获得奖励。而如果有任何的作弊行为，都会导致网络的节点验证不通过，直接丢弃其打包的区块，这个区块就无法记录到总账本中就不会得到奖励，而付出的算力也就白白付出了，相当于受到了惩罚。两相权衡，人们就失去了作恶的动机。因此在巨大的挖矿成本下，也使得矿工自觉自愿的遵守比特币系统的共识协议，也就确保了整个系统的安全。

• 分叉：当有两名矿工在几乎在同一时间，各自都得了正确的答案，便立即传播自己的区块到网络中，先是传播给邻近的节点而后传播到整个网络。每个收到有效区块的节点都会将其并入并延长区块链。假如这两个正确的区块分别为A、B，则有的节点会先收到A区块并将A加入区块链，而有的节点会先收到B。这时就导致了区块链分叉。

• 最长链原则：刚开始分叉时旷工都在自己收到的区块的基础上进行延伸，两个块都收到的节点，会把其中长度更长的一条作为主链，另一条作为备用链保存（保存是因为备用链将来可能会超过主链长度成为新主链）。这样一段时间后所有旷工都会切换到最长的那条链，从而解决分叉问题。

• 为什么10分钟出一个块：如果出块时间过短，也就意味着挖矿难度降低，这时就会有更大的几率多个旷工同时算出答案。又由于刚产生的区块在全网广播时需要一定的时间，其他节点也很容易收到不同的区块。简单来说就是出块过快容易导致频繁分叉。但是出块慢也有代价：确认时间变长了。

• 51%算力攻击：理论上，当攻击者掌握了51%的全网算力时，其攻击总是能成功。因为他总能让自己的链成为最长的链。但是，如果他攻击比特币系统，比特币将不具备可信性，以至比特币必然崩盘，一文不值。这对他显然百害无一利。举个例子：现在有几个国家的原子弹都足以毁灭地球，但他们会这么干吗？

• 电力消耗：比特币因为挖矿，消耗了大量电力，这是它的一大缺点。并且随着比特币价格越来高，全网算力越来越大，电力消耗也将越来越大。

小结：

本篇简单介绍了一下POW共识问题，后面还会有文章详细介绍挖矿的具体原理。

To be continued...