拜占庭问题

故事梗概

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。

故事解剖

在拜占庭问题中，最重要的point就是：所有将军如何达成一致攻打拜占庭的共识，这当中，可能出现的情况举例如下：

• 存在叛徒，欺骗其他将军自己将采取行动
• 叛徒可能迷惑其他将军，使他们接受的消息不一致（传递消息的过程）

用一个模型解释一下：

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。

可以看得出，只要叛徒的数量大于或等于1/3，拜占庭问题不可解

再度解剖拜占庭问题

从技术上理解，拜占庭将军问题是分布式系统容错性问题。加密货币建立在P2P网络之上，是典型的分布式系统，类比一下，将军就是P2P网络中的节点，信使就是节点之间的通信，进攻还是撤退的决定就是需要达成的共识。如果某台独立的节点计算机拓机、掉线或攻击网络搞破坏，整个系统就要停止运行，那这样的系统将非常脆弱，所以容许部分节点出错或搞破坏而不影响整个系统运行是必要的，这就需要算法理论上的支撑，保证分布式系统在一定量的错误节点存在的情况下，仍然保持一致性和可用性。

而且，拜占庭将军与两军问题不同，前者假定信差没有问题，只是将军出现了叛变等问题；后者研究信差的通信问题。

科学家们的解决方法

• 口头信息（未了）

  即将军们派人用口信传递信息，其实际含义是指：

  • 每个被发送的消息均可被正确投递
  • 消息接受者知道消息是谁发的
  • 不发消息可被检测

  大白话就是，一个节点1发布消息，节点2-10都可以收到消息，其他节点类似，一轮下来，每个节点手上都会有10个信息（进攻或者撤退），这时候只要叛徒数目小于一半，那么

• 书面协议

  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。

  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。

  但是，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。

区块链技术

终极解决方案到了——

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：

1. 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。（这也是工作量证明机制的意义：以检验结果的方式证明你过去所做过了多少工作）

2. 比特币有一个算法难度，会
   根据全网算力自动调整，以保证网络一直需要花费10分钟来找到一个有效的哈希值，并产生一个新区块。

3. 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

4. 通过区块链，使用一个共同账本。如果有一个叛徒（不诚实节点）修改了前面区块的信息，计划把钱全部划归自己所有，当它广播新区块的时候，其他节点如何通过验证？如果大家手里没有一份相同的账本，肯定无法验证，问题就会陷入僵局。基于P2P网络的BT技术是成熟的，同步一个总帐是很简单的事情。网络中的节点，在每个循环周期内都是同步的，这让每个节点（将军）做决策的时候就有了共同的基础。

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。

当然了，凭什么要义务进行计算工作，那么肯定要有一个激励机制：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，而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。

如果又出现背叛怎么办？

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（只要大多数是好人，那么就可以实现共识）。

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。

注：区块链学习新人，若有不正确的地方，望指出