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拜占庭容错(BFT)技术详解

wxf2017
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拜占庭将军问题/ U. d0 {6 P# q( S7 b+ @' s/ h

. b/ y7 r' `9 E, d/ V9 D    BFT技术的由来源于一个叫拜占庭将军问题。
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7 V8 o4 \. }( f5 y  Y+ E7 @2 N    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。
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& l" k' C5 `* ^    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。! E& g, C( x# e& U
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    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”。
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/ \9 I3 O; O$ ?5 a$ `4 z    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)) J1 n7 d% a5 _) \

5 @6 h2 [1 N0 l    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。
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7 T- `* J5 [. ~    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。# R- {5 z8 v) L0 T

  \; J2 i! l: h0 p8 C    拜占庭容错理论算法
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/ c1 V; z- Q) F    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。
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/ ]* X( D" R! z" c0 z2 e- |    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。9 ]7 s' H* l2 }( @% T. g3 w

+ u# D8 y9 x; P    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:4 v/ a% u8 c5 e  y9 S

+ s" p% U5 J/ m7 M! b    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。
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: _( y$ n0 o* \& V+ g; p    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。
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    另外,拜占庭容错系统需要达成如下两个指标:7 Q& n# n! |3 t, ^$ W3 n

! Q* c. u! m) S  c( ]/ y. W! Q# m    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。
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# t" ^7 D1 Q# e9 @8 R    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。
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; o9 C2 U" o  J; @- r    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:
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    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;
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" u7 ~  H' n" F9 U    节点之间的错误是不相关的;7 Q% E* A# x/ `8 y7 ?, ?: @
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    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;. M: n9 R  U: H

; T/ N5 m: ~# n& i- }# ~$ m    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。
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( V3 s& ?+ L9 o7 z    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。
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