區塊鏈如何解決拜占庭將軍的問題？

了解分佈式系統中的拜占庭將軍的問題

拜占庭將軍的問題是計算機科學中的經典思想實驗，它說明了在分佈式網絡中達成共識的困難，在分佈式網絡中，某些組件可能會失敗或惡意行動。想像一下，在城市周圍的多個將軍，每個將軍都指揮一部分軍隊。他們必須集體決定是攻擊還是撤退。通信是通過使者發生的，但是有些將軍可能是叛徒發送衝突的消息以破壞協調。挑戰在於確保儘管存在不可靠的演員，但忠實的將軍們仍會做出同樣的決定。

在數字系統的背景下，這個問題轉化為一個分散網絡中的節點，需要就單個版本的真理（例如交易的有效性）達成共識，而某些節點可能是錯誤或妥協的。為了使區塊鏈安全起作用，它必須通過確保誠實的參與者可以達成共識，即使其他人試圖欺騙或破壞過程，它也必須解決此問題。

共識機制在區塊鏈中的作用

為了解決拜占庭將軍的問題，區塊鏈實施了共識機制，使分佈式節點可以就分類帳的狀態達成共識。這些機制旨在耐受一定數量的故障或惡意節點。最突出的解決方案包括工作證明（POW）和股份證明（POS） ，這兩者都可以實現拜占庭的容錯性（BFT）。

在Bitcoin等工作系統的證明中，礦工競爭解決複雜的加密難題。第一個解決該網絡的解決方案的解決方案。其他節點驗證工作，如果有效，則將塊添加到鏈條中。由於解決難題需要實質性的計算工作，因此惡意演員在經濟上無法操縱區塊鏈，除非他們控製網絡計算能力的50％以上，而這種情況被稱為51％的攻擊。

同樣，利益證明根據其“股份”作為抵押品的加密貨幣選擇驗證器。驗證者提出和投票對塊，其影響與他們的股份成正比。如果驗證者試圖作弊，他們可能會通過稱為Slashing的過程損失其固定資金。這種經濟障礙會阻止惡意行為，並支持誠實節點之間的共識。

不變性和加密驗證如何阻止欺騙

區塊鏈使用加密哈希和數字簽名來確保數據完整性和真實性。每個塊都包含上一個塊的哈希，創建了一個極其難以追溯改變的鏈。更改先前塊中的任何數據都需要重新計算所有隨後的塊哈希，這在大型網絡中在計算上是不切實際的。

每個事務都使用發件人的私鑰簽名，允許任何節點使用相應的公鑰驗證其真實性。這樣可以防止模仿，並確保只有合法參與者才能發起交易。當節點收到一個新塊時，他們會獨立驗證其中的所有交易，檢查數字簽名，可用資金和遵守協議規則。

這個分散的驗證過程意味著沒有單個節點需要信任另一個節點。相反，信任是從網絡的集體驗證中得出的。即使某些節點廣播虛假信息，大多數誠實節點也會拒絕無效的塊，從而保留分類帳的完整性。

拜占庭環境中的網絡傳播和最終性

為了達成共識，信息必須在整個網絡上有效地傳播。區塊鏈依靠點對點（P2P）網絡協議來傳播區塊和交易。當礦工或驗證器生產一個新塊時，它會立即廣播到相鄰的節點，然後將其傳遞給其他節點。這種洪水機制可確保快速分發。

但是，由於網絡延遲而導致的暫時分歧可能會導致叉子- 同時創建兩個有效塊的叉子。在POW系統中，網絡通過遵循最長的鏈條規則來解決此問題：節點接受最積累的工作作為有效工作的鏈條。隨著時間的流逝，一個分支變得更長，另一個分支被放棄。這種最終的融合可確保所有誠實的節點都同意單個歷史。

在POS系統中，通常通過檢查點或投票回合等機制實現終結性，在該機制中，驗證者的超級敬意必須在將其視為最終之前批准它。這些方案降低了鏈條重組的風險，並增強了對拜占庭斷層的抵抗力。

實用的拜占庭容錯和現代區塊鏈設計

一些區塊鏈實施實用的拜占庭式容錯（PBFT）或其變體，以達到比POW較低的能源消耗的共識。 PBFT在已知節點並可以在多個回合中進行通信的權限或部分權限的設置運行。只要至少三分之二的節點是誠實的，它就可以保證共識。

在PBFT中，領導者節點提出了一個塊，而其他節點則經過預播種的階段，準備並承諾驗證它。一旦有足夠數量的節點投入，該塊即可最終確定。這種方法提供了直接的終止性和高通量，但由於大量節點而縮放較差。

混合模型，例如委派的股份證明（DPO）或Tendermint ，將BFT的元素與分散治理結合在一起。這些系統選擇了一組有限的驗證者，這些驗證者在BFT式共識，平衡安全性，速度和權力下放。這樣的設計展示了區塊鏈技術如何使理論解決方案適應現實世界的約束。

在Bitcoin中實現拜占庭式容錯的分步過程

• 發起交易並使用發件人的私鑰簽署
• 該交易被廣播到Bitcoin網絡並收集到Mempool
• 礦工選擇交易並將其捆綁到候選人區塊中
• 每位礦工通過反复升級塊標頭直到找到有效的哈希來執行工作證明
• 第一個找到有效哈希的礦工將街區廣播給同齡人
• 接收節點驗證工作證明，檢查所有交易是否有效性，並確認塊的哈希
• 如果有效，則節點將塊附加到其本地區塊鏈副本上
• 該網絡繼續在此塊上建立，加強了共識

該過程確保了即使一些礦工試圖提交無效的塊，大多數節點也會拒絕它們，並在整個網絡上保持協議。

常見問題

區塊鏈可以容忍的最大惡意節點數量是多少？使用拜占庭式耐受性共識算法的區塊鏈通常可以承受多達三分之一的節點是惡意的。例如，在PBFT中，只要少於33％的節點是故障或對抗性的，該系統仍然可以達成共識。

區塊鏈如何阻止單個節點對交易歷史記錄說謊？沒有一個節點控制分類帳。每個節點都維護區塊鏈的完整副本，並獨立驗證每個塊。如果節點試圖提出一個錯誤的版本，其他節點將檢測哈希鏈或無效的數字簽名中的不一致並拒絕。

為什麼對拜占庭失敗有效的工作證明？與現實世界計算成本共識的工作證明。攻擊者將需要控製網絡哈希的50％以上的力量，以始終如一地覆蓋共識，這是昂貴且可檢測到的。

如果大多數節點離線，區塊鏈可以保持安全嗎？是的，只要足夠數量的誠實節點保持活躍，可以驗證和傳播塊。該網絡旨在通過動態參與進行操作，如果其餘節點正確遵循協議，仍然可以達成共識。