区块链之我见09

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          古老的“拜占庭将军问题” 02

接上篇

拜占庭将军问题”并非如传说中那样，源于公元5世纪的东罗马战场，而是产生于1982年一位美国计算机科学家的头脑当中。

因此，我们不会使用任何1982年之前的案例来描述这个问题在古老年代的意义，因为再往前追溯，它并未真正、严肃地被提出并加以审视。 在原始的战争年代，将军与将军、将军与下属间只能采用原始的方式——“出行靠走，通讯靠吼”的口头传输。这对应兰伯特论文提出算法中的第一部分的口头消息算法，简称OM（m）算法。

这种情形，真伪很难辨别，只有当叛徒的总数不超过将军总数的1/3，成为一个特殊的“拜占庭容错系统”时，才能在很大的消息验证代价后，实现最终的一致行动。这个结果非常令人惊讶，如果将军们只能发送口头消息，除非超过2/3的将军是忠诚的，否则该问题无解。尤其是，如果只有三个将军，其中一个是叛变者，那么此时无解。但这样的错误，这样的有意、无意的“叛徒”却可能经常出现。无论是我们把“叛变的将军”替换成以下哪种，该问题都成立。

• 一个出故障的，向其他计算机不停发出不同错误信息的服务器；

• 一份为获取暴利而做出来的金融票据；

• 一份失效的医疗纠纷合同；

• 一份含混不清的保单；

• 一个可以发出消息，做出行动的错误信息节点。

而这里，每一个错误节点可以做任意事情：不响应；发送错误信息；对不同节点发送不同决定；不同错误节点联合起来攻击其他节点等。没准会出现比这更严重、更荒谬的错误。

如果说“叛变的拜占庭将军”是我们社会中各种类型的信息节点的隐喻，那么“拜占庭将军问题”所描述的情景，这样一个进攻／撤退命令极难验证真伪的中世纪战场，则无疑是我们当今越发缺乏中心化的、难以判别信息与产生信任的社会的极度悲观的隐喻。

构造出一个完美的、可以解决问题的“拜占庭容错系统”是一个不小的挑战。而且构造出来以后，其是否真的有效，能否经得起时间的考验与各方的质疑，这些都关乎着这个系统未来的命运与其创造群体的声誉。 2008年冬季，美国MIT（麻省理工学院）的密码学及密码学政策战略的邮件讨论组中，一位澳大利亚的企业家James A Donald（詹姆斯·A. 唐纳德）就对一位声称构造出了一个点对点的、不需要第三方权威认证的e-cash（电子现金）支付系统提出了质疑。

而他的理由就是：对方设计的P2P系统不能够解决“拜占庭将军问题”。 在邮件中他挑剔地说道：“我们的确真的非常非常需要这个系统，但我所担忧的并不是信任的问题，而是如何获取一个全局共享的图景，借由此点而获取一致性的问题。每个人都知道X，这并不足够。

我们需要让每个人都知道‘每个人都知道X’。而每个人都知道‘每个人都知道X’就是‘拜占庭将军问题’中，分布式的数据处理最难解决的问题。尤其是当X是非常庞大的数据时……”言下之意，他并不清楚或不确信这个去中心化的系统，如何解决拜占庭将军的难题。 仅仅在一天之后，他就收到了原作者的回复，一封简洁、优雅的邮件解释了在这个系统中，破解“拜占庭将军问题”的算法。

    一群拜占庭将军，人手一台电脑想用字符串模式匹配的方法，暴力破解国王的Wi-Fi密码，当然他们已经事先获取了组成密码的字符串的长度。一旦他们开始模拟网络发送数据包，他们必须在一个限定的时间内完成破解工作，并清除服务器和电脑上的记录，否则他们就会被发现，那就麻烦了。

只有当绝大多数将军在同一时间发起攻击和破解，这样才能有足够的CPU（中央处理器）和计算能力在短时间内完成破解工作。 他们并不特别在乎什么时候开始攻击，只要他们全部同意就好。

一开始的时候，大家决定这样搞：任何人觉得时机到了都可以宣布一个攻击时刻。而且，不论是什么时候，只要是第一个被听到的攻击时刻，就将被确定为官方的攻击时刻。这样的话问题又来了，因为网络传达有延迟和干扰，如果有两个将军差不多同一时间公布了两个不同的攻击时刻，那么有的人会最先听到其中一个将军发布的攻击时刻，而又有些人则会最先听到另外一个将军发布的攻击时刻。

他们使用一个“工作量证明链”来解决这个问题。当每个将军接收到任何表达形式的第一个攻击时刻时，他都会设置他的计算机来求解一个极其困难的“工作量证明”问题，对这个问题的解答是一个哈希（Hash）散列，里面也将包含着这次的攻击时刻。

由于这个“工作量证明”问题，非常难解，一般而言，就算所有人收到这个问题后同时求解，也至少需要10分钟才能产生解答。

一旦一个将军解出了“工作量证明”，他将会把这个算出来的“工作量证明”向整个网络进行传播，每一个接收到的人，将在他们当前正在做的“工作量证明”计算的散列中附加上刚刚被求解出来的那个工作量证明。如果任何人正在计算他收到的其他的一个不同的攻击时刻，他们将会转向新的更新后的“工作量证明”计算当中，因为他现在的“工作量证明链”更长了。

两个小时后，将有一个攻击时刻被散列在一个有12个“工作量证明”的链中。每个将军只要通过验证（这条工作链的）计算难度，就能估算出平均每小时有多少CPU算力耗费在这上面，也就会知道：这一定是在分配的时间段内，绝大多数将军的计算机共同协作才能生成的结果。

如果“工作量证明链”中展示出来的算力足够强大，可以破解国王的Wi-Fi密码，那么他们就可以在一致同意的时间内安全地展开攻击。 同步、分布式数据库和一个一致的、全局性的视野的问题如何解决？“工作量证明链”就是答案。

我们可以看到这封邮件解决了下面几个问题：

（1）引入一个困难的、需要10分钟求解的工作量计算，限制了网络中每个时刻中被提出的进攻时刻数目。

（2）将所有求解出的“工作量证明”都逐一加入，形成一个越来越长的链条，一个记录着所有“参与着攻击时刻哈希计算的将军、计算的‘工作量证明’、关于‘工作量证明’的计算的总体名录”。

（3）基于这条长链得出安全的进攻时刻的答案。

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