拜占庭容错（BFT）技术详解 - 区块链前沿 - BitMere

拜占庭将军问题

BFT技术的由来源于一个叫拜占庭将军问题。

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，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，将军们必须制订统一的行动计划。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，破坏忠诚的将军们一致的行动计划。因此，将军们必须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，拜占庭问题就此形成。

拜占庭将军问题（ByzantineGeneralsProblem），首先由LeslieLamport与另外两人在1982年提出，很简单的故事模型，却困扰了计算机科学家们数十年。

我们将拜占庭将军问题简化一下，所有忠诚的将军都能够让别的将军接收到自己的真实意图，并最终一致行动；而形式化的要求就是，“一致性”与“正确性”。

一致性：每个忠诚的将军必须收到相同的命令值vi（vi是第i个将军的命令）

正确性：如果第i个将军是忠诚的，那么他发送的命令和每个忠诚将军收到的vi相同。

Lamport对拜占庭将军的问题的研究表明，当n>3m时，即叛徒的个数m小于将军总数的n的1/3时，通过口头同步通信（假设通信是可靠的），可以构造同时满足“一致性”和“正确性”的解决方法，即将军们可以达成一致的命令。

拜占庭容错理论算法

拜占庭容错系统，英文全称是ByzantineFaultTolerance，是一种理论上解决拜占庭问题的方法，并非实用，不过基于BFT理论延伸出了其他共识机制。

区块链网络的记账共识和拜占庭将军的问题是相似的。参与共识记账的每一个节点相当于将军，节点之间的消息传递相当于信使，某些节点可能由于各种原因而产生错误的信息传递给其他节点。通常这些发生故障的节点被称为拜占庭节点，而正常的节点即为非拜占庭节点。

假设分布式系统拥有n台节点，并假设整个系统拜占庭节点不超过m台（n≥3m+1），拜占庭容错系统需要满足如下两个条件：

所有非拜占庭节点使用相同的输入信息，产生同样的结果。在区块链系统中，可以理解为，随机数相同、区块算法相同、原账本相同的时候，计算结果相同。

如果输入的信息正确，那么所有非拜占庭节点必须接收这个消息，并计算相应的结果。在区块链系统中，可以理解为，非拜占庭节点需要对客户的请求进行计算并生成区块。

另外，拜占庭容错系统需要达成如下两个指标：

安全性：任何已经完成的请求都不会被更改，它可以在以后请求看到。在区块链系统中，可以理解为，已经生成的账本不可篡改，并且可以被节点随时查看。

活性：可以接受并且执行非拜占庭客户端的请求，不会被任何因素影响而导致非拜占庭客户端的请求不能执行。在区块链系统中，可以理解为，系统需要持续生成区块，为用户记账，这主要靠挖矿的激励机制来保证。

在分析拜占庭问题的时候，假设信道是可信的。拓展开来，在拜占庭容错系统，普遍采用的假设条件包括：

拜占庭节点的行为可以是任意的，拜占庭节点之间可以共谋；

节点之间的错误是不相关的；

节点之间通过异步网络连接，网络中的消息可能丢失、乱序并延时到达，但大部分协议假设消息在有限的时间里能传达到目的地；

节点之间传递的信息，第三方可以嗅探到，但是不能篡改、伪造信息的内容和破坏信息的完整性。

拜占庭容错技术，是一类分布式计算领域的容错技术。名称拜占庭是一个泛指，它代表着计算机领域，在这个领域内会有很多问题，如硬件错误、网络拥堵或中断以及遭到恶意攻击等等，造成计算机网络可能出现的混乱。BFT技术就是为了使混乱状态达到一致性。