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拜占庭将军问题——区块链共识算法系列讲堂之二

如今区块链已成为一个高频词汇，不时出现在公众视野里，但是伴随其出现的种种专业术语和生僻词汇，又让人望而生畏。那么区块链究竟是怎样一种技术？能为我们的生活带来什么改变？

艾贝链动作为区块链技术研发机构，旗下智库组织“艾贝学院”，将致力于为大家体系化的讲解区块链知识。上一讲中我们讲解了共识以及算法的概念，并且提到了数字世界并不那么岁月静好，猜疑的个体之间为共识系统带来了极大挑战。那么这些挑战是什么以及该如何消减？这便是本文将要回答的。

拜占庭将军问题的由来

拜占庭帝国即东罗马帝国（395年-1453年），是欧洲历史上最悠久的君主制国家，其首都君士坦丁堡是在希腊古城拜占庭的基础上建立起来的。

拜占庭将军问题并不是真实存在于历史中的，而是由图灵奖获得者莱斯利·兰伯特（Leslie Lamport）在1982年提出的一个假想问题：

由于当时拜占庭罗马帝国国土辽阔，每支军队的驻地分隔很远，将军们只能靠信使传递消息。发生战争时，将军们必须制定统一的行动计划。然而，这些将军中有叛徒，叛徒希望通过影响统一行动计划的制定与传播，破坏忠诚将军们的一致行动计划。因此，将军们必须要有一个预定的方法协议，使所有忠诚的将军能够达成一致，而且少数几个叛徒不能使忠诚的将军做出错误的计划。也就是说，拜占庭将军问题的实质就是要寻找一个方法，使得将军们能在一个有叛徒的非信任环境中建立对战斗计划的共识。

在分布式系统中，特别是在区块链网络环境中，也和拜占庭将军的环境类似，有运行正常的服务器（类似忠诚的拜占庭将军），有故障的服务器，还有破坏者的服务器（类似叛变的拜占庭将军）。

拜占庭将军问题的共识博弈

在拜占庭将军问题中，将军作为命令发起者，副官作为命令执行者，副官可以执行将军的命令，也可以不执行。

作为忠诚阵营的成员，需要达成这样的共识：

1一致原则：忠诚副官之间要保证进攻和撤退的一致；

2服从忠诚将军：如果将军是忠诚的，所有忠诚的副官都要执行将军的命令；

3多数原则：副官之间询问各自接受到的命令，会执行多数副官接收到的命令。

对此，莱利斯·兰伯特提出，当忠诚者的人数达到叛徒人数三倍及以上时，可以保证协议的有效达成。

假设将军，副官1，副官2，副官3四个人中，副官2是叛徒。在将军下达撤退命令后，副官的心理活动如下：

副官1：在不能确定将军身份的情况下，不会直接撤退，会询问副官2；

副官2：因为自己叛徒身份，会传递给副官1假信息，即进攻命令；

副官3：忠诚的副官3会告诉副官1 传递撤退命令；

副官1：将军发布的是撤退命令，副官3 接收的是撤退命令，所以整体服从多数指令，从而指挥士兵撤退。

如果当忠诚者的人数达不到叛徒人数3倍，副官1和副官2 接收的信息不一致，所以无法做出最终决策。由于副官3的出现，打破了平衡，副官1和副官3的进攻命令大于副官2的干扰，从而做出正确判断。

假设将军，副官1，副官2，副官3四个人中，将军是叛徒，三位副官都是忠诚的，三位副官两两互通，服从多数人的命令即可，同样能保证信息的一致性。

同理，如果有6名副官，其中有两人是叛徒，副官1需要就“副官2所接收到的命令是什么”分别问副官3，副官4，副官5，副官6，再根据多数原则最终达成了撤退的共识。

拜占庭将军问题引出的共识机制

拜占庭将军问题阐述的是：在信息交互不可靠的情况下，达成共识、协同行动存在很大的困难。叛徒对错误信息的肆意发布，很可能会导致战争失败，类比区块链世界中，网络上的两个节点直接通信也存在着失败的可能性，所以建立有效的共识机制是非常必要的。

由于不同的区块链项目类型对信息记录和区块生成有不同的要求，所以目前发展到有30多种共识机制来解决不同项目中的拜占庭将军问题。

比如比特币系统是通过一个称为“工作量证明”（Proof of Work，PoW）的机制完成的；以太坊系统采用“权益证明”（Proof of Stake，PoS），即持币越多越久，获得奖励的概率越大；再后来DPos、PoA等机制的先后诞生，构成了一部波澜起伏的区块链共识发展史，它们分别有着各自的特点以及优劣势，我们会在下一讲中为大家道来。