区块链如何解决拜占庭将军的问题？

了解分布式系统中的拜占庭将军的问题

拜占庭将军的问题是计算机科学中的经典思想实验，它说明了在分布式网络中达成共识的困难，在分布式网络中，某些组件可能会失败或恶意行动。想象一下，在城市周围的多个将军，每个将军都指挥一部分军队。他们必须集体决定是攻击还是撤退。通信是通过使者发生的，但是有些将军可能是叛徒发送冲突的消息以破坏协调。挑战在于确保尽管存在不可靠的演员，但忠实的将军们仍会做出同样的决定。

在数字系统的背景下，这个问题转化为一个分散网络中的节点，需要就单个版本的真理（例如交易的有效性）达成共识，而某些节点可能是错误或妥协的。为了使区块链安全起作用，它必须通过确保诚实的参与者可以达成共识，即使其他人试图欺骗或破坏过程，它也必须解决此问题。

共识机制在区块链中的作用

为了解决拜占庭将军的问题，区块链实施了共识机制，使分布式节点可以就分类帐的状态达成共识。这些机制旨在耐受一定数量的故障或恶意节点。最突出的解决方案包括工作证明（POW）和股份证明（POS） ，这两者都可以实现拜占庭的容错性（BFT）。

在Bitcoin等工作系统的证明中，矿工竞争解决复杂的加密难题。第一个解决该网络的解决方案的解决方案。其他节点验证工作，如果有效，则将块添加到链条中。由于解决难题需要实质性的计算工作，因此恶意演员在经济上无法操纵区块链，除非他们控制网络计算能力的50％以上，而这种情况被称为51％的攻击。

同样，利益证明根据其“股份”作为抵押品的加密货币选择验证器。验证者提出和投票对块，其影响与他们的股份成正比。如果验证者试图作弊，他们可能会通过称为Slashing的过程损失其固定资金。这种经济障碍会阻止恶意行为，并支持诚实节点之间的共识。

不变性和加密验证如何阻止欺骗

区块链使用加密哈希和数字签名来确保数据完整性和真实性。每个块都包含上一个块的哈希，创建了一个极其难以追溯改变的链。更改先前块中的任何数据都需要重新计算所有随后的块哈希，这在大型网络中在计算上是不切实际的。

每个事务都使用发件人的私钥签名，允许任何节点使用相应的公钥验证其真实性。这样可以防止模仿，并确保只有合法参与者才能发起交易。当节点收到一个新块时，他们会独立验证其中的所有交易，检查数字签名，可用资金和遵守协议规则。

这个分散的验证过程意味着没有单个节点需要信任另一个节点。相反，信任是从网络的集体验证中得出的。即使某些节点广播虚假信息，大多数诚实节点也会拒绝无效的块，从而保留分类帐的完整性。

拜占庭环境中的网络传播和最终性

为了达成共识，信息必须在整个网络上有效地传播。区块链依靠点对点（P2P）网络协议来传播区块和交易。当矿工或验证器生产一个新块时，它会立即广播到相邻的节点，然后将其传递给其他节点。这种洪水机制可确保快速分发。

但是，由于网络延迟而导致的暂时分歧可能会导致叉子- 同时创建两个有效块的叉子。在POW系统中，网络通过遵循最长的链条规则来解决此问题：节点接受最积累的工作作为有效工作的链条。随着时间的流逝，一个分支变得更长，另一个分支被放弃。这种最终的融合可确保所有诚实的节点都同意单个历史。

在POS系统中，通常通过检查点或投票回合等机制实现终结性，在该机制中，验证者的超级敬意必须在将其视为最终之前批准它。这些方案降低了链条重组的风险，并增强了对拜占庭断层的抵抗力。

实用的拜占庭容错和现代区块链设计

一些区块链实施实用的拜占庭式容错（PBFT）或其变体，以达到比POW较低的能源消耗的共识。 PBFT在已知节点并可以在多个回合中进行通信的权限或部分权限的设置运行。只要至少三分之二的节点是诚实的，它就可以保证共识。

在PBFT中，领导者节点提出了一个块，而其他节点则经过预播种的阶段，准备并承诺验证它。一旦有足够数量的节点投入，该块即可最终确定。这种方法提供了直接的终止性和高通量，但由于大量节点而缩放较差。

混合模型，例如委派的股份证明（DPO）或Tendermint ，将BFT的元素与分散治理结合在一起。这些系统选择了一组有限的验证者，这些验证者在BFT式共识，平衡安全性，速度和权力下放。这样的设计展示了区块链技术如何使理论解决方案适应现实世界的约束。

在Bitcoin中实现拜占庭式容错的分步过程

• 发起交易并使用发件人的私钥签署
• 该交易被广播到Bitcoin网络并收集到Mempool
• 矿工选择交易并将其捆绑到候选人区块中
• 每位矿工通过反复升级块标头直到找到有效的哈希来执行工作证明
• 第一个找到有效哈希的矿工将街区广播给同龄人
• 接收节点验证工作证明，检查所有交易是否有效性，并确认块的哈希
• 如果有效，则节点将块附加到其本地区块链副本上
• 该网络继续在此块上建立，加强了共识

该过程确保了即使一些矿工试图提交无效的块，大多数节点也会拒绝它们，并在整个网络上保持协议。

常见问题

区块链可以容忍的最大恶意节点数量是多少？使用拜占庭式耐受性共识算法的区块链通常可以承受多达三分之一的节点是恶意的。例如，在PBFT中，只要少于33％的节点是故障或对抗性的，该系统仍然可以达成共识。

区块链如何阻止单个节点对交易历史记录说谎？没有一个节点控制分类帐。每个节点都维护区块链的完整副本，并独立验证每个块。如果节点试图提出一个错误的版本，其他节点将检测哈希链或无效的数字签名中的不一致并拒绝。

为什么对拜占庭失败有效的工作证明？与现实世界计算成本共识的工作证明。攻击者将需要控制网络哈希的50％以上的力量，以始终如一地覆盖共识，这是昂贵且可检测到的。

如果大多数节点离线，区块链可以保持安全吗？是的，只要足够数量的诚实节点保持活跃，可以验证和传播块。该网络旨在通过动态参与进行操作，如果其余节点正确遵循协议，仍然可以达成共识。