区块链之我见08

       

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        古老的“拜占庭将军问题” 01

让人生，让人死，让人痴迷，让人疯狂。 这就是传说中繁华与没落，绝望与救赎并存的东罗马帝国首都，拜占庭。

在2013年获得计算机科学领域最高奖项图灵奖的31年前，1972年，莱斯利·兰伯特（Leslie Lamport）搬到湾区。此时，他仍然是一个寂寂无闻的美国小伙。他充当Compass（马萨诸塞州计算机合伙人公司）西海岸计划前哨基地的先锋，不幸的是，这个分支机构最终未能落实。在长达5年的时间里，他曾是Compass总部派驻加州的唯一员工。最后，他却收到撤回东海岸的指令。于是，他决定加入斯坦福国际研究院（SRI）。

在那段岁月里，SRI有一个项目，要在美国航空航天局建立容错型航电计算机系统。考虑到系统的工作性质，故障是不允许发生的。这段经历孕育了两篇旨在解决一种特殊故障的论文，由兰伯特和SRI同事马歇尔·皮斯（Marshall Pies）及罗伯特·肖斯塔克（Robert Shostak）合作完成。用计算学术语说，普通故障可能会导致信息丢失或进程停止，但系统不会遭到破坏，因为这种普通故障属于一出错就会停下来的故障类型，剩下的备份的、正常的部分照样可以运转，发挥作用。就像战场上的士兵，他们一旦受伤或阵亡就停止战斗，但并不妨碍他人继续作战。

然而一旦发生“拜占庭故障”，就会非常麻烦，因为它们不会停下来，还会继续运转，并且给出错误讯息。就像战争中有人成了叛徒，会继续假传军情，惑乱人心。

当时为了解决这个问题，常常使用的技术被称为“三重模块冗余”：也就是说使用三台计算机进行万一出错的备份工作，三台独立的计算机按照少数服从多数的原则“投票”。这样，即使其中一台机器提供了错误结果，其他两台仍然会提供正确答案。但是为了证明这种方法的有效性，必须拿出证据。

而在编写证据的过程中，研究人员遇到了一个问题：“错误”计算机可能给其他两台计算机发送互不相同的错误值，而后者却不会知道。这就需要使用第四台计算机来应对这个故障。 兰伯特说：“如果你使用数字签名，就可以用三台机器达成目的，因为如果‘坏了’的计算机向一台计算机发送了带签名的错误值，并向另一台发送了不同的带签名错误值，另外两台计算机就能够交换消息，以检查究竟发生了什么情况，因为两个不同的值都是签名发送的。”兰伯特还听吉姆·格雷谈论过另一个性质大体相同的问题，人们称之为“中国将军问题”。这引起了兰伯特有关司令将军和叛徒将军的联想，于是他将这个问题及其解决方案命名为“拜占庭将军问题”。 “我记得，与我的朋友怀特·迪菲（White Duffy）坐在伯克利的一间咖啡馆里，当时他描述了一个构建数字签名的问题。”兰伯特回忆说，“他说：‘如果能办到的话，会非常有用。’我说：‘这听起来并不很困难。’于是在一张餐巾纸上，我为他勾画出了第一种数字签名算法。虽然当时并不很实用，但目前已经变得切实可行。”只可惜那张餐巾纸已经消逝在时间的流沙中。在后来1982年正式出版的拜占庭将军论文的序言中，他这样写道： “我一直觉得正是因为通过用一组围坐在圆桌旁的哲学家来表述，Dijkstra（迪克斯塔）的哲学家就餐问题’才变得如此让人关注（比如在理论界，它可能比‘读者/作者’问题都引人注目，尽管读者/作者问题可能更具实际意义）。

我认为Reaching Agreement in the Presence of Faults（达成共识的缺陷）中所描述的问题十分重要，值得计算机科学家们去关注。‘哲学家就餐问题’使我认识到，把问题以讲故事的形式表达出来更能引起人们的关注。在分布式计算领域有一个被称作‘中国将军问题’的问题。

在这个问题中，两个将军必须在进攻还是撤退上达成一致，但是相互只能通过信使传送消息，而且这个信使可能永远都无法到达。我借用了这里的将军的叫法，并把它扩展成一组将军，同时这些将军中有些是叛徒，他们需要达成一致的决定。同时我想给这些将军赋予一个国家，同时不能得罪任何读者。

那时候，阿尔巴尼亚还是一个完全封闭的国家，我觉得应该不会有阿尔巴尼亚人看到这篇文章，所以最初的时候这篇论文题目实际是The Albanian Generals Problem（阿尔巴尼亚将军问题）。但JackGoldberg（杰克·古登博格）后来提醒我，在这个世界上除了阿尔巴尼亚之外还有很多阿尔巴尼亚移民，所以建议我换个名字。于是就想到了这一更合适的叫法——Byzantine generals（拜占庭将军）。” 写这篇论文的最主要目的是将拜占庭将军这个叫法用在这个问题上。基本的算法文章在1980年的论文中就已经出现了。

起源：拜占庭位于现在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，为了防御敌人每个军队都分隔很远，将军与将军之间只能靠信差传消息。在战争时期，拜占庭军队内所有将军和副官必须达成一致共识，决定是否有赢的机会才去攻打敌人的阵营。

但是，军队可能有叛徒和敌军间谍，左右将军们的决定，扰乱军队整体的秩序。在达成共识的过程中，有些信息，往往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，就是“拜占庭将军问题”。 两军问题：军队与军队之间分隔很远，传递信息的信差可能在途中阵亡，或因军队距离不能在得到消息后即时回复，发送方也无法确认消息确实丢失的情形，导致不可能达到一致性。在分布式计算上，试图在异步系统和不可靠的通道上达到一致性是不可能的。因此对一致性的研究一般假设信道是可靠的，或非异步系统上运行。