《币圈笔记》第377期：拜占庭问题
19年06月06日，祝六六大顺。
我们以前常看到以太坊拜占庭分叉，这个拜占庭又是什么意思呢？
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，每个军队都离得很远，将军与将军之间只能靠信差传消息。在战争期间，拜占庭军队内所有将军必须达成一致共识，全体都决定认同有赢的机会才能去攻打敌人的阵营。
但是，在军队内有可能存有叛徒和敌军的间谍，他们可能影响将军们的决定、甚至某个将军自己就是叛徒。那么，在已知有成员谋反的情况下，其余忠诚的将军如何在不受叛徒的影响下达成一致的协议，拜占庭问题就此形成。
对区块链有认识的读者们可以看出来，拜占庭将军问题其实是一个协议问题：由于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；或迷惑某些将军，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。
所谓拜占庭失效指一方向另一方发送消息，另一方没有收到，或者收到了错误的信息的情形。
这些错误被统称为“崩溃失效”和“发送与遗漏式失效”。当拜占庭失效发生时，系统可能会做出任何不可预料的反应！
以太坊以前那个拜占庭硬分叉，为什么叫拜占庭？笔者认为该阶段旨在用技术算法解决历史上的难题，以便区块链网络在受到干扰的情况下依然能够达成共识。人家说艺术来源于生活，那么这一灵感来源于真实历史事件，读史使人明智。
拜占庭问题
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：
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
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。
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：
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 ）
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：
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。
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
区块链技术的六大核心算法
区块链技术的六大核心算法
区块链核心算法一：拜占庭协定
拜占庭的故事大概是这么说的：拜占庭帝国拥有巨大的财富，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
区块链核心算法二：非对称加密技术
在上述拜占庭协定中，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?其实这只要加入一个成本就可以了，即：一段时间内只有一个节点可以传播信息。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。
在如今看来，非对称加密技术完全可以解决这个签名问题。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”公钥”和”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。
区块链核心算法三：容错问题
我们假设在此网络中，消息可能会丢失、损坏、延迟、重复发送，并且接受的顺序与发送的顺序不一致。此外，节点的行为可以是任意的：可以随时加入、退出网络，可以丢弃消息、伪造消息、停止工作等，还可能发生各种人为或非人为的故障。我们的算法对由共识节点组成的共识系统，提供的容错能力，这种容错能力同时包含安全性和可用性，并适用于任何网络环境。
区块链核心算法四：Paxos 算法(一致性算法)
Paxos算法解决的问题是一个分布式系统如何就某个值(决议)达成一致。一个典型的场景是，在一个分布式数据库系统中，如果各节点的初始状态一致，每个节点都执行相同的操作序列，那么他们最后能得到一个一致的状态。为保证每个节点执行相同的命令序列，需要在每一条指令上执行一个“一致性算法”以保证每个节点看到的指令一致。一个通用的一致性算法可以应用在许多场景中，是分布式计算中的重要问题。节点通信存在两种模型：共享内存和消息传递。Paxos算法就是一种基于消息传递模型的一致性算法。
区块链核心算法五：共识机制
区块链共识算法主要是工作量证明和权益证明。拿比特币来说，其实从技术角度来看可以把PoW看做重复使用的Hashcash，生成工作量证明在概率上来说是一个随机的过程。开采新的机密货币，生成区块时，必须得到所有参与者的同意，那矿工必须得到区块中所有数据的PoW工作证明。与此同时矿工还要时时观察调整这项工作的难度，因为对网络要求是平均每10分钟生成一个区块。
区块链核心算法六：分布式存储
分布式存储是一种数据存储技术，通过网络使用每台机器上的磁盘空间，并将这些分散的存储资源构成一个虚拟的存储设备，数据分散的存储在网络中的各个角落。所以，分布式存储技术并不是每台电脑都存放完整的数据，而是把数据切割后存放在不同的电脑里。就像存放100个鸡蛋，不是放在同一个篮子里，而是分开放在不同的地方，加起来的总和是100个。
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