在前面兩期中，主要對區(qū)塊鏈的基本概念和基本設計原則進行說明，現(xiàn)在有了這些背景知識后，再去學習更深層的知識將會更加容易。本期我們一起研究一下拜占庭將軍問題，這是區(qū)塊鏈解決的一個核心難題，通過理解這個問題的來龍去脈，相信大家會對區(qū)塊鏈的底層知識會有一個更深入的思考。

一、先講個故事

從前有個帝國叫做拜占庭，這個國家派出5位將軍去共同圍攻一座城市，他們5支軍隊分開駐扎在這個敵城周圍，這5個將軍之間只能通過信使聯(lián)系，只有5個將軍一起進攻敵城才會勝利。

于是在他們5個人出發(fā)之前一起商量了進攻的策略，少數(shù)服從多數(shù)，當超過3個及以上的人都同意進攻，則5個人一起進攻，否則就一起撤退。

但是，如果他們5個人之前出現(xiàn)了一個叛徒，就可能導致最終的行動不一致。如下圖：

將軍1234都按照服從多數(shù)人的規(guī)則來執(zhí)行，圖中的將軍01和02跑了，將軍03和04去攻打了，違背了開始他們一起進退的約定。最終導致進攻失敗，打了敗仗。

其中，壞蛋將軍05就可以理解為一個作惡的節(jié)點，他向不同的節(jié)點傳遞不同的消息，讓系統(tǒng)內(nèi)部的信息出現(xiàn)了不一致。

從這個故事可以看出：幾個相互協(xié)同的人，如果其中有個人作惡的話，可能不同的成員得出的最終結(jié)論不一致，從而破壞了系統(tǒng)的一致性。這就是拜占庭將軍問題，這個問題一直是協(xié)同合作中難以解決的問題。

二、現(xiàn)代版拜占庭將軍

大家都知道了區(qū)塊鏈是一套去中心化的分布式系統(tǒng)，既然是分布式系統(tǒng)就意味著要全網(wǎng)多臺服務器節(jié)點進行協(xié)同合作。

那拜占庭將軍問題就出來了：每個網(wǎng)絡節(jié)點相當于一個拜占庭將軍，這些節(jié)點最終要共同維護一套數(shù)據(jù)，這個過程中可能出現(xiàn)兩個問題。

1.無法保證節(jié)點誠實

一個節(jié)點可能同時向不同的服務器發(fā)送不一致的消息，導致節(jié)點之間存儲的信息不一致。這個可以把它理解為單點一致性問題。

2.無法保證系統(tǒng)內(nèi)部信息統(tǒng)一

分布式系統(tǒng)中存在一部分節(jié)點收到的信息和另一部分節(jié)點的收到的信息是不同的，那最終所有的節(jié)點應該以哪一條信息為標準呢？

假設分布式網(wǎng)絡遵從少數(shù)服從多數(shù)的情況，那如果全網(wǎng)超過一半的節(jié)點同時作惡，去篡改了已經(jīng)存在的某條信息，那系統(tǒng)也只能接受這條不正確信息，導致系統(tǒng)的前后不一致。

這兩種問題可以統(tǒng)稱為系統(tǒng)一致性問題。

三、神奇的比特幣網(wǎng)絡

中本聰大神為了解決分布式系統(tǒng)中的拜占庭將軍問題，開創(chuàng)性的提出了工作量證明機制（POW），一舉解決了單點一致性和系統(tǒng)一致性問題。

先簡單理解一下工作量證明機制是什么（我會在后面一期中進行更詳細講解）：工作量，顧名思義就是要干活，在比特幣網(wǎng)絡中要做的就是全網(wǎng)節(jié)點要共同算一道數(shù)學題，誰先算對，誰就能獲得發(fā)出一條消息的權(quán)利，并且系統(tǒng)還會給算對的節(jié)點額外的獎勵；然后全網(wǎng)節(jié)點在這條信息之后開始計算新的數(shù)學題。

1.如何解決的單點一致性問題

通過工作量證明機制，每個節(jié)點不再能隨便發(fā)送信息了，只有正確算出那道數(shù)學題才能發(fā)送一條消息。

這就降低了節(jié)點發(fā)送消息的速率，保證一段時間內(nèi)，大部分節(jié)點收到的是一條一樣的消息。

2.如何解決系統(tǒng)一致性問題

為了解決系統(tǒng)的一致性問題，比特幣網(wǎng)絡提出了最長鏈概念和6次確認概念。

（1）最長鏈是什么？

可以理解為：節(jié)點發(fā)送一個消息就是一個區(qū)塊，一個節(jié)點接收上個節(jié)點發(fā)出的消息之后，在這個消息的基礎之上開始進行新的數(shù)學題計算來獲取發(fā)送消息的權(quán)利，并產(chǎn)生新的消息區(qū)塊，這些區(qū)塊組成一條首尾相連的鏈條。

在系統(tǒng)內(nèi)信息傳輸?shù)倪^程中，難免會出現(xiàn)節(jié)點A和節(jié)點B幾乎同時算出數(shù)學題的情況，這個時候它們向外發(fā)送消息，可能離節(jié)點A近的節(jié)點先聽到A的消息，離節(jié)點B近的節(jié)點先聽到B的消息。

節(jié)點都以最先收到的消息為準，分別開始在其后進行數(shù)學題計算。

出現(xiàn)這種情況，在系統(tǒng)內(nèi)就會出現(xiàn)兩條消息鏈條，出現(xiàn)了系統(tǒng)不一致性，如何解決呢？這里就采取了最長鏈為標準。

全網(wǎng)節(jié)點約定：只在消息最多的那條數(shù)據(jù)鏈條之后進行數(shù)學計算和消息連接，節(jié)點時刻監(jiān)聽全網(wǎng)狀態(tài)，確定自己是不是在最長鏈條上；如果不是，則立即切換到最長鏈去進行數(shù)學題計算。這就保證了系統(tǒng)內(nèi)只有一套合法的消息鏈條。

C在收到A的消息之后優(yōu)先算出了數(shù)學題，那這個時候A和C所在的就是最長鏈，B所在的鏈條將會被舍棄，然后F，G，H節(jié)點會開始在C之后進行數(shù)學題計算。

（2）6次確認是什么

為了防止在比特幣網(wǎng)絡中出現(xiàn)信息篡改情況的發(fā)生，需要每條消息經(jīng)過6次確認沒有更改之后才認為有效。

通過6確認可以大大提高系統(tǒng)的不可篡改性，因為如果想更改一條已經(jīng)確認的消息，需要正確算出6個數(shù)學難題，然后還需要保證自己的更改之后的消息鏈條為最長鏈。

這會消耗大量的成本，導致篡改數(shù)據(jù)的成本高到無法承受，最大程度的保證了系統(tǒng)不會出現(xiàn)確認過的消息前后不一致的問題。

四、總結(jié)

比特幣雖然通過采用工作量證明的機制解決了拜占庭問題，但是也造成了一些新的問題：因為在比特幣網(wǎng)絡中節(jié)點需要通過計算數(shù)學題的方式來獲取發(fā)消息的權(quán)利，這就需要CPU之間競爭誰的計算力強，會造成巨大的能源浪費——這也是比特幣網(wǎng)絡經(jīng)常被人詬病的一個原因。

為了解決比特幣網(wǎng)絡存在的能源浪費，促使人們?nèi)ヌ剿鞲噢k法去解決拜占庭將軍問題，這就出現(xiàn)了后來的權(quán)益證明（POS）、股權(quán)委托證明（DPOS）等等。這些機制我將會在后面的期刊中進行詳細的介紹。

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作者：liheng，區(qū)塊鏈探索者、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品經(jīng)理，超級個體修煉中，只創(chuàng)作對用戶有價值的內(nèi)容。

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