拜占庭容错--通俗易懂

作者：苏江同学 
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拜占庭将军问题很多人可能听过，但不知道是什么意思，本文从非专业的角度来讲讲，拜占庭将军问题到底是说什么的。

拜占庭将军问题（Byzantine Generals Problem），首先由Leslie Lamport与另外两人在1982年提出，很简单的故事模型，却困扰了计算机科学家们数十年。

故事大概是这么说的：

拜占庭帝国即中世纪的土耳其，拥有巨大的财富，周围10个邻邦垂诞已久，但拜占庭高墙耸立，固若金汤，没有一个单独的邻邦能够成功入侵。任何单个邻邦入侵的都会失败，同时也有可能自身被其他9个邻邦入侵。拜占庭帝国防御能力如此之强，至少要有十个邻邦中的一半以上同时进攻，才有可能攻破。

然而，如果其中的一个或者几个邻邦本身答应好一起进攻，但实际过程出现背叛，那么入侵者可能都会被歼灭。

于是每一方都小心行事，不敢轻易相信邻国。这就是拜占庭将军问题

在拜占庭问题里，各邻国最重要的事情是：所有将军如何能过达成共识去攻打拜占庭帝国。

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：如果叛徒的数量大于或等于1/3，拜占庭问题不可解。

解释过程可以用一个副官模型来解释：

假设只有3个人，A、B、C，三人中如果其中一个是叛徒。当A发出进攻命令时，B如果是叛徒，他可能告诉C，他收到的是“撤退”的命令。这时C收到一个“进攻”，一个“撤退“，于是C被信息迷惑，而无所适从。

如果A是叛徒。他告诉B“进攻”，告诉C“撤退”。当C告诉B，他收到“撤退”命令时，B由于收到了司令“进攻”的命令，而无法与C保持一致。

正由于上述原因，在只有三个角色的系统中，只要有一个是叛徒，即叛徒数等于1/3，拜占庭问题便不可解。

当然，只要叛徒数小于1/3，问题还是可解的。

科学家们提出了口头信息方案和书面协议两个方案。

解决方案一：用口头信息

口头信息即使将军们派人用口信传达消息，口头传达消息的实际含义指的是：

每个被发送的消息都能够被正确投递 
信息接受者知道消息是谁发的 
沉默（不发消息）可以被检测 
口头协议的算法很简单，如果其中一个节点，比如1发布消息出去，210都接受到1的消息，然后210也分别转告给其他的节点，每个节点都是信息的转达者，一轮下来，每个节点手上都会有10个信息（进攻或者撤退），有叛徒的话，那信息可能有进攻或者不进攻的不一致消息。每个人相当于手里有一本消息的账本，该怎么决策呢？如果有一半以上的人说进攻，那么采取进攻行动就是能成功的，所以这时即便有叛徒，只要听大部分人的，少数服从多数来行动即是有利的。

这种口头协议的算法也存在明显的缺点：口头协议并不会告知消息的上一个来源是谁，也就是消息不可追根溯源，出现信息不一致也很难找到叛徒在哪。

解决方案二：用书面协议

可以假设10个国家，每个国家都可以派人向各个国家派信，比如一起约定 “某天早上六点，大家一起进攻拜占庭，同意就签个字”。收到信的国家如果同意的话，就可以在原信上签名盖章。

书面协议相比口头协议，实际说的是在这个多人的将军模型中加了了个隐含条件：

将军们能够使用签名技术，签名不可伪造，一旦篡改即可发现。 
同时任何人都可以验证签名的可靠性。 
书面协议相比口头协议，所有的消息都是有记录的，解决了追根溯源的问题。

但在现实中仍然可能面临各种问题：

中世纪的邻邦之间沟通只能靠信使骑马，将军们互不信任，也不可能亲自聚在一起开会，物理距离导致信息传输延迟。

真正可信的签名体系难以实现。签名造假的问题也没法避免。

签名消息记录的保存难以摆脱中心化的机构。

另外，倘若每个国家都各自向其他9个国家派出信使，在这个网络即需要90次的传输才能完成一轮信息交流，但是每个国家可能回馈不同的进攻时间，在这种异步通信的条件下，要能协商一致是个大问题。

也就是如果能够依赖中心化可信的机构，也许能通过多方的签名记录整合在一起，更容易地实现9个国家的意见统一，但这是个伪假设，因为前提是这个网络就是互不信任的。

这就是一个由互不信任的各个邻邦国家所构成的分布式网络，要获得最大的利益，又必须一起努力才能完成，如何达成一致的共识，变成了一个难题。

莱斯利·兰伯特提出了“拜占庭将军问题”，但真正解决这以难题的是——中本聪。

终极解决方案：区块链技术 
互联网的存在，首先降低了信息的流通成本。每个将军配一台电脑，就解决了”书面协议“中骑马通讯造成时间延迟的问题。

如果10个将军中的几个同时发起消息，势必会造成系统的混乱，造成各说各的攻击时间方案，行动难以一致。

谁都可以发起进攻的信息，但由谁来发出呢？中本聪巧妙地在个系统加入了发送信息的成本，即：一段时间内只有一个节点可以传播信息。

它加入的成本就是”工作量“——节点必须完成一个计算工作才能向各城邦传播消息，当然，谁第一个完成工作，谁才能传播消息。

当某个节点发出统一进攻的消息后，各个节点收到发起者的消息必须签名盖章，确认各自的身份。中本聪在这里引用现代加密技术为这个信息签名。

这种加密技术——非对称加密完全可以解决古代难以解决的签名问题：

消息传送的私密性 
能够确认身份 
签名不可伪造、篡改 
非对称加密算法的加密和解密使用不同的两个密钥.这两个密钥就是我们经常听到的”公开密钥”(公钥)和”私有密钥”(私钥).

公钥和私钥一般成对出现, 如果消息使用公钥加密,那么需要该公钥对应的私钥才能解密; 同样，如果消息使用私钥加密,那么需要该私钥对应的公钥才能解密.

非对称加密的作用是:保护消息内容, 并且让消息接收方确定发送方的身份.

比如，将军A想给将军B发送消息，为防止消息泄露，将军A只需要使用B的公钥对信息加密，而B的公钥是公开的，B只需要用只有他自己只的私钥解密即可。

将军B想要在信件上声明自己的身份，他可以自己写一段”签名文本“，并用私钥签名，并广播出去，所有人可以根据B的公钥来验证该签名，确定的B的身份。

由此，一个不可信的分布式网络变成了一个可信的网络，所有的参与者可以在某件事在达成一致。

写到这里，同时终于明白了工作量证明（Proof Of Work）的意义。有人说挖矿浪费了巨大的社会资源，但建立信任的成本可不是0，挖矿是维护比特币网络可靠性的最好办法。

工作量证明，简单的理解就是一份证明，现实中的毕业证、驾驶证都属于工作量证明，它用以检验结果的方式证明你过去所做过了多少工作。

在拜占庭的系统里，加入工作量证明，其实就是简单粗暴地引入了一个条件：大家都别忙着发起消息，都来做个题，看谁最聪明，谁就有资格第一个发起消息。

这个题必须是绝对公平的，中本聪在设计比特币时，它采用了一种工作量证明机制叫哈希现金，在一个交易块这要找到一个随机数，计算机只能用穷举法来找到这个随机数，可以说，能不能找到全靠运气，所以对于各个节点来说，这个世界上，只有随机才是真正的公平，实现随机的最好办法是使用数学，所有的将军在寻找共识的过程，借助了大家都认可的数学逻辑。

如果不同的将军先后解出了题，各自先后向这个网络发布消息，于是各个节点都会收到来自不同节点发起的进攻或者不进攻的消息，那怎么办的？只有时间最早的发起者才是有效的。中本聪巧妙的设计了一个时间戳的东西，为每个将军在解好题的时间（出块时间）盖上时间印章。

将军们那又凭什么要一起做工作量证明呢？中本聪也完全可以设置一个奖励机制，比特币的奖励机制是每打包一个块，目前是奖励25个比特币，当然，拜占庭将军问题的奖励机制可以是瓜分拜占庭获得的利益。

对了，如果有出现背叛怎么办？

在这个分布式网络里：

每个将军都有一份实时与其他将军同步的消息账本。 
账本里有每个将军的签名都是可以验证身份的。如果有哪些消息不一致，可以知道消息不一致的是哪些将军。 
尽管有消息不一致的，只要超过半数同意进攻，少数服从多数，共识达成。 
由此，在一个分布式的系统中，尽管有坏人，坏人可以做任意事情（不受protocol限制），比如不响应、发送错误信息、对不同节点发送不同决定、不同错误节点联合起来干坏事等等。但是，只要大多数人是好人，就完全有可能去中心化地实现共识（Consensus）。

区块链上的共识机制主要解决由谁来构造区块，以及如何维护区块链统一的问题。

拜占庭容错问题需要解决的也同样是谁来发起信息，如何实现信息的统一同步的问题。

到这里也可以知道了，基于互联网的区块链技术，它克服了口头协议与书面协议的种种缺点，使用消息加密技术、以及公平的工作量证明机制，创建了一组所有将军都认可的协议，这套协议的出现，拜占庭将军问题也就完美的得到了解决。

伟大的创新往往是站在前人的肩膀上，中本聪就是各种前沿技术的整合者，古老的疑难杂症在这种整合创新下，就变得不再是问题了。