共识与拜占庭将军问题

最新推荐文章于 2022-03-24 17:14:35 发布

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#共识 #拜占庭将军问题 #区块链

本文介绍了区块链中的共识机制，从共识基础出发，详细讲解了拜占庭将军问题及其对分布式一致性的影响。接着探讨了PoW、PoS和DPoS三种主流的共识算法，分析了它们的工作原理、优缺点及适用场景，展示了共识机制在区块链中的重要性与价值。

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1、共识基础

人们对共识机制的研究其实由来已久，从上世纪70年代就开始了相关研究，其目的是为了解决分布式系统中的一致性问题。Fischer, Lynch 和 Patterson在1985年发表的论文中提出了可以说是最重要的分布式系统定理：FLP不可能定理（在异步通信场景，即使只有一个进程失败，也没有任何算法能保证非失败进程达到一致性）；2000年，EricBrewer教授又进一步提出了CAP猜想：一致性、可用性和分区容错性三者无法在分布式系统中被同时满足，并且最多只能满足其中两个；2002年，Lynch与其他人证明了Brewer的猜想，从而把CAP上升为一个定理。这期间和之后，涌现了一些著名的分布式一致性算法，如LeslieLamport在1989年提出的Paxos算法，1999年Castro和Liskov提出的PBFT算法等。直到比特币采用POW进行记账后，共识算法才真正进入到了大众的视野里。

一般来说根据处理的异常情况不同，可以把共识算法分为两种类型，一种是针对非拜占庭错误的，这类算法性能较高，但容错性较差，如Paxos、Raft等；另一种是针对拜占庭错误的，这类算法往往容错性较高，但是性能相对较差，包括工作量证明（POW）、权益证明（POS）、委托权益证明（DPOS）、实用拜占庭容错算法（PBFT）等。处理拜占庭错误的算法有两种思路，一种是通过提高作恶成本以降低作恶节点出现的概率，如工作量证明、权益证明等，其中工作量证明是通过算力，而权益证明则是通过持有权益。另外一种是在允许一定的作恶节点存在的前提下，依然使得各节点之间达成共识，如实用拜占庭容错算法等。下面我们就来讲讲目前存在的主流共识算法。

2、拜占庭将军问题

1982年，Leslie Lamport等科学家提出了著名的拜占庭将军问题（Byzantine failures），其讨论的是允许存在少数节点作恶场景下的一致性达成问题。简单描述下：国土辽阔的拜占庭帝国，基于防御目的，将每支军队分别部署在全国各地。因为距离遥远，将军们只能靠信差传递消息。战争爆发时，拜占庭帝国军队的将军们必须全体一致的决定是否攻击某一支敌军，以获取作战胜利。然而将军们无法确定他们中是否存在叛徒