OIN:分布式一致性—拜占庭將軍問題

提起區塊鏈，大家似乎感覺這項技術很神秘。今天從技術的角度剖析一下區塊鏈的分布式一致性問題，很多研究人員稱此問題為分布式領域的幽靈，也就是大家常常聽到的拜占庭將軍問題。

拜占庭將軍問題是LeslieLamport提出的針對分布式對等網絡中的通信容錯問題。

LeslieLamport在其論文TheByzantineGeneralsProblem中以一個示例形象的描述了此問題：一組拜占庭將軍分別各率領一支軍隊共同圍困一座城市。為了簡化問題，各支軍隊的行動策略僅限定為進攻或撤離兩種。因為部分軍隊進攻、部分軍隊撤離可能會造成災難性后果，因此各位將軍必須通過投票來達成一致策略，即所有軍隊一起進攻或所有軍隊一起撤離。因為各位將軍分別處于城市不同方向，他們只能通過信使互相聯系。在投票過程中每位將軍都將自己投票給進攻還是撤退的信息通過信使分別通知其他所有將軍，從而，每位將軍根據自己的投票和其他所有將軍送來的信息就可以知道共同的投票結果而決定行動策略。

分布式資本與協議實驗室合作宣布成立IPFS和Filecoin生態投資基金:據微信公眾號@Filecoin Network消息，分布式資本與協議實驗室合作宣布成立1500萬-2000萬美元的IPFS和Filecoin生態投資基金。該基金的使命是推動IPFS和Filecoin生態的健康有序發展。分布式和協議實驗室將共同管理該基金，分布式資本除了作為財務投資者外，還將作為IPFS和Filecoin的長期戰略合作伙伴。分布式資本計劃籌集1500-2000萬美元，并承諾將以FIL來進行資本籌集和部署，而不是穩定幣或其他加密資產中。分布式已與其他有限合伙人一起向該基金投放了100萬美元。另外，在過去的一年里，Filecoin開發者資助項目已經向社區提交的項目提案頒發了40多筆開發補助金。12月22日，Filecoin網絡進行了主網啟動以來的第四次升級——實施FIP-0009方案。此次升級大幅降低了網絡上證明存儲的成本。[2020/12/26 16:33:21]

用通信術語描述拜占庭將軍問題：可靠的計算機系統必須處理有故障的組件，這些組件的引入可能與系統其它部分信息沖突。根本不發送任何消息，向不同的鄰居發送不同且錯誤的消息，以及謊報自己的輸入值。一個可靠的計算機系統必須能夠處理一個或多個組件的失敗。失敗的組件出現被忽略的行為，向系統的其他部分發送不一致的信息。

Calibra推出可供加密交易所使用的分布式審核協議DAPOL:Facebook的數字錢包項目Calibra最近在一次研討會上展示了分布式審計責任證明(DAPOL)協議，該協議旨在改進現有的分布式審計程序。團隊認為，DAPOL協議建立在現有方法的基礎上，并通過引入額外優化和增強隱私來改進現有方法，它允許實體對其負債進行分布式審計，例如，加密交易所可以利用它讓社區審計其債務。（Cointelegraph）[2020/5/2]

在分布式計算中，不同的計算交換通訊信息從而達成共識并按照同一套協作策略行動。但有時，系統中的成員計算機可能因出錯而發送錯誤的信息，用于傳遞信息的通訊網絡也可能導致信息損壞，使得網絡中不同的成員關于全體協作的策略得出不同結論，從而破壞系統一致性。

金色相對論 | 肖臻：比特幣協議是去中心化的，跟分布式的概念不是完全等價的:在今日舉行的金色相對論中，關于“央行大概率會更像傳統的分布式系統設計的考慮是什么”的問題，北京大學計算機系研究員、博士生導師肖臻表示，嚴格地說，比特幣協議是去中心化的，跟分布式的概念不是完全等價的。去中心化的系統必然是分布式的：如果整個系統只運行在一臺機器上，那顯然不能稱為去中心化的。但是，分布式系統未必是去中心化的。即使系統運行在成千上萬臺機器上，如果這些機器是由同一個機構管理的，那也不是去中心化的。目前央行還沒有公布會采取哪種設計，我估計央行自己也沒有確定。比特幣和以太坊采用的都是交易驅動的狀態機模式。絕大多數分布式系統是讓每臺機器處理不同的任務，然后把處理結果組合起來得到最后的結果。這樣做的目的是為了比單機處理速度快。最理想的狀況是達到線性加速比：10臺機器的處理速度是1臺機器的10倍。實際使用中往往很難達到線性加速比，因為任務拆分、機器之間通訊、整合各臺機器的輸出結果都有一定的開銷，所以10臺機器可能只比一臺機器快6倍，但還是要比單機速度快，否則用分布式系統就沒意義了。[2019/8/15]

拜占庭將軍問題是存在前提假設條件的，在消息丟失的不可靠信道上試圖通過消息傳遞的方式達到一致性是不可能的，因此對一致性的研究一般假設是建立在信道是可靠的這個前提下。拜占庭將軍問題的核心是允許存在少數節點作惡的情況下如何達成共識的問題。

聲音 | 日本金融廳長官：針對區塊鏈等分布式金融系統，如何確保公眾利益已成為新課題:據日經新聞消息，今日在日本福岡舉行的G20峰會上，日本金融廳長官遠藤俊英發表演講指出“監管規則可能抑制創新，監管規則也會跟不上技術變革”。此外，以區塊鏈技術為首的分布式金融系統在沒有金融機構充當中介的情況下，可能實現顧客和市場參與者之間的直接交易，因此金融機構的地位存在下降的可能性，在這種情況下，如何確保公眾利益已成為新的課題。[2019/6/8]

拜占庭將軍問題實際上是如何讓一個分布式系統的保持一致性和在特定條件下保持正確性的問題。可抽象為滿足以下2個條件的算法：

條件IC1.所有忠誠的將軍得出相同的作戰指令，并且按指令執行，保持指令的一致性。

條件IC2.如果作戰指令是忠誠的將軍發出的，所有忠誠的將軍會遵循該將軍發出的作戰指令，特定條件下的正確性。

LeslieLamport論文里TheByzantineGeneralsProblem提到了OralMessages和Signedmessages兩個解決方案，其算法如下：

1、OM(m)口頭協議算法

結論：如果有m個叛軍，必須至少有3m+1位將軍才能保證口頭協議算法能解“拜占庭將軍問題”。

前提假設：

A1.每個被發送的消息都能夠被正確的投遞

A2.信息接收者知道是誰發送的消息

A3.能夠知道缺少的消息(如果叛軍不配合發送消息，算法默認一個值“撤退”的來替代)

證明過程：

https://www.microsoft.com/en-us/research/uploads/prod/2016/12/The-Byzantine-Generals.pdf

2、SM簽名協議算法

結論：在不管有多少叛軍的情況下，都能讓忠誠的將軍們保持一致的行動

前提假設：

A1.每個被發送的消息都能夠被正確的投遞

A2.信息接收者知道是誰發送的消息

A3.能夠知道缺少的消息(如果叛軍不配合發送消息，算法默認一個值“撤退”的來替代)

A4.1簽名不可被偽造，一旦被篡改即可發現

A4.2任何人都可以驗證將軍簽名的可靠性

證明過程：

https://www.microsoft.com/en-us/research/uploads/prod/2016/12/The-Byzantine-Generals.pdf

讀者如果想對分布式算法深入解析，如Paxos、Pow、BFT，推薦區塊鏈核心算法一書，文中有部分值得深入研讀的參考文獻。

參考文獻：

TheByzantineGeneralsProblem.LESLIELAMPORT,ROBERTSHOSTAK,andMARSHALLPEASESRIInternational

區塊鏈核心算法解析.RogerWattenhofer

參考鏈接

TheByzantineGeneralsProblem

同步鏈接：

https://www.microsoft.com/en-us/research/uploads/prod/2016/12/The-Byzantine-Generals.pdf

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