《锋哥论道区块链》之三区块链基础--拜占庭问题与两军问题
1.拜占庭将军问题描述
拜占庭将军问题是一个共识问题: 首先由Leslie Lamport与另外两人在1982年提出，被称为The Byzantine Generals Problem或者Byzantine Failure。核心描述是军中可能有叛徒，却要保证进攻一致，由此引申到计算领域，发展成了一种容错理论。随着比特币的出现和兴起，这个著名问题又重入大众视野。
关于拜占庭将军问题，一个简易的非正式描述如下：
拜占庭帝国想要进攻一个强大的敌人，为此派出了10支军队去包围这个敌人。这个敌人虽不比拜占庭帝国，但也足以抵御5支常规拜占庭军队的同时袭击。基于一些原因，这10支军队不能集合在一起单点突破，必须在分开的包围状态下同时攻击。他们任一支军队单独进攻都毫无胜算，除非有至少6支军队同时袭击才能攻下敌国。他们分散在敌国的四周，依靠通信兵相互通信来协商进攻意向及进攻时间。困扰这些将军的问题是，他们不确定他们中是否有叛徒，叛徒可能擅自变更进攻意向或者进攻时间。在这种状态下，拜占庭将军们能否找到一种分布式的协议来让他们能够远程协商，从而赢取战斗？这就是著名的拜占庭将军问题。
应该明确的是，拜占庭将军问题中并不去考虑通信兵是否会被截获或无法传达信息等问题，即消息传递的信道绝无问题。Lamport已经证明了在消息可能丢失的不可靠信道上试图通过消息传递的方式达到一致性是不可能的。所以，在研究拜占庭将军问题的时候，我们已经假定了信道是没有问题的，并在这个前提下，去做一致性和容错性相关研究。如果需要考虑信道是有问题的，这涉及到了另一个相关问题：两军问题。
单从上面的说明可能无法理解这个问题的复杂性，我们来简单分析一下：
先看在没有叛徒情况下，假如一个将军A提一个进攻提议（如：明日下午1点进攻，你愿意加入吗？）由通信兵通信分别告诉其他的将军，如果幸运中的幸运，他收到了其他6位将军以上的同意，发起进攻。如果不幸，其他的将军也在此时发出不同的进攻提议（如：明日下午2点、3点进攻，你愿意加入吗？），由于时间上的差异，不同的将军收到（并认可）的进攻提议可能是不一样的，这是可能出现A提议有3个支持者，B提议有4个支持者，C提议有2个支持者等等。
再加一点复杂性，在有叛徒情况下，一个叛徒会向不同的将军发出不同的进攻提议（通知A明日下午1点进攻， 通知B明日下午2点进攻等等），一个叛徒也会可能同意多个进攻提议（即同意下午1点进攻又同意下午2点进攻）。
叛徒发送前后不一致的进攻提议，被称为“拜占庭错误”，而能够处理拜占庭错误的这种容错性称为「Byzantine fault tolerance」，简称为BFT。
2.两军问题
正如前文所说，拜占庭将军问题和两军问题实质是不一样的。国内大量解释拜占庭将军问题的文章将两者混为一谈，其实是混淆了两个问题的实质，由此造成了许多误解。这两个问题看起来的确有点相似，但是问题的前提和研究方向都截然不同。
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如图1所示，白军驻扎在沟渠里，蓝军则分散在沟渠两边。白军比任何一支蓝军都更为强大，但是蓝军若能同时合力进攻则能够打败白军。他们不能够远程的沟通，只能派遣通信兵穿过沟渠去通知对方蓝军协商进攻时间。是否存在一个能使蓝军必胜的通信协议，这就是两军问题。
看到这里您可能发现两军问题和拜占庭将军问题有一定的相似性，但我们必须注意的是，通信兵得经过敌人的沟渠，在这过程中他可能被捕，也就是说，两军问题中信道是不可靠的，并且其中没有叛徒之说，这就是两军问题和拜占庭将军问题的根本性不同。由此可见，大量混淆了拜占庭将军问题和两军问题的文章并没有充分理解两者。
两军问题的根本问题在于信道的不可靠，反过来说，如果传递消息的信道是可靠的，两军问题可解。然而，并不存在这样一种信道，所以两军问题在经典情境下是不可解的，为什么呢？
倘若1号蓝军（简称1）向2号蓝军（简称2）派出了通信兵，若1要知道2是否收到了自己的信息，1必须要求2给自己传输一个回执，说“你的信息我已经收到了，我同意你提议的明天早上10点9分准时进攻”。
然而，就算2已经送出了这条信息，2也不能确定1就一定会在这个时间进攻，因为2发出的回执1并不一定能够收到。所以，1必须再给2发出一个回执说“我收到了”，但是1也不会知道2是否收到了这样一个回执，所以1还会期待一个2的回执。
虽然看似很可笑，但在这个系统中永远需要存在一个回执，这对于两方来说都并不一定能够达成十足的确信。更要命的是，我们还没有考虑，通信兵的信息还有可能被篡改。由此可见，经典情形下两军问题是不可解的，并不存在一个能使蓝军一定胜利的通信协议。
不幸的是，两军问题作为现代通信系统中必须解决的问题，我们尚不能将之完全解决，这意味着你我传输信息时仍然可能出现丢失、监听或篡改的情况。但我们能不能通过一种相对可靠的方式来解决大部分情形呢？这需要谈到TCP协议。事实上，搜索“两军问题与三次握手”，您一定可以找到大量与TCP协议相关的内容。若您是通信方面的专家，权当笔者是班门弄斧，这里仅用最浅显易懂的方式科普TCP协议的原理和局限，可能存在一些毛刺，请多包涵。
TCP协议中，A先向B发出一个随机数x，B收到x了以后，发给A另一个随机数y以及x+1作为答复，这样A就知道B已经收到了，因为要破解随机数x可能性并不大；然后A再发回y+1给B，这样B就知道A已经收到了。这样，A和B之间就建立一个可靠的连接，彼此相信对方已经收到并确认了信息。
而事实上，A并不会知道B是否收到了y+1；并且，由于信道的不可靠性，x或者y都是可能被截获的，这些问题说明了即使是三次握手，也并不能够彻底解决两军问题，只是在现实成本可控的条件下，我们把TCP协议当作了两军问题的现实可解方法。
3.区块链解决拜占庭问题
拜占庭问题的实质就是共识机制问题。也就是忠诚的将军之间如何达成一致性的目标（一致性进攻或者撤退），当然这里假设都是忠诚的将军多于不忠诚的将军。
在出现比特币之前，解决分布式系统一致性问题主要是Lamport提出的Paxos算法或其衍生算法。Paxos类算法仅适用于中心化的分布式系统，这样的系统的没有不诚实的节点（不会发送虚假错误消息，但允许出现网络不通或宕机出现的消息延迟）。
中本聪在比特币中创造性的引入了“工作量证明（POW : Proof of Work）”来解决这个问题。通过工作量证明就增加了发送信息的成本，降低节点发送消息速率，这样就以保证在一个时间只有一个节点(或是很少)在进行广播，同时在广播时会附上自己的签名。
这个过程就像一位将军A在向其他的将军（B、C、D…）发起一个进攻提议一样，将军B、C、D…看到将军A签过名的进攻提议书，如果是诚实的将军就会立刻同意进攻提议，而不会发起自己新的进攻提议。
以上就是比特币网络中是单个区块（账本）达成共识的方法（取得一致性）。理解了单个区块取得一致性的方法，那么整个区块链（总账本）如果达成一致也好理解。
我们稍微把将军问题改一下：假设攻下一个城堡需要多次的进攻，每次进攻的提议必须基于之前最多次数的胜利进攻下提出的（只有这样敌方已有损失最大，我方进攻胜利的可能性就更大），这样约定之后，将军A在收到进攻提议时，就会检查一下这个提议是不是基于最多的胜利提出的，如果不是（基于最多的胜利）将军A就不会同意这样的提议，如果是的，将军A就会把这次提议记下来。这就是比特币网络最长链选择.
