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如何讀懂區(qū)塊鏈技術(shù)？

近日，中國(guó)科學(xué)院軟件研究所張振峰團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)新澤西理工學(xué)院唐強(qiáng)團(tuán)隊(duì)，在區(qū)塊鏈核心技術(shù)的拜占庭容錯(cuò)(BFT)共識(shí)研究中取得重要突破，在國(guó)際上提出首個(gè)完全實(shí)用的異步共識(shí)算法“小飛象拜占庭容錯(cuò)(Dumbo BFT)算法”(簡(jiǎn)稱“小飛象算法”)。

在以“去中心化”為主要特征的區(qū)塊鏈技術(shù)中，共識(shí)算法為什么重要？什么是“拜占庭容錯(cuò)共識(shí)算法”？“小飛象算法”又有哪些過(guò)人之處？

共識(shí)算法為什么重要？

“去中心化”是區(qū)塊鏈的特征之一。在一個(gè)去中心化的系統(tǒng)里，沒(méi)有負(fù)責(zé)“拍板”的角色，這就好比一個(gè)臨時(shí)組成的旅游團(tuán)，有人想往東，有人想往西。

▲“中心化”與“去中心化”

再舉一個(gè)更加貼近生活的例子，在傳統(tǒng)的金融系統(tǒng)里，A向B轉(zhuǎn)賬了一筆錢(qián)，這個(gè)行為會(huì)被保存在銀行數(shù)據(jù)庫(kù)里，交易數(shù)據(jù)的真實(shí)性由銀行這樣的傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)保證，以他們的記錄為準(zhǔn)。

但是在比特幣這種“去中心化”的區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，可能有的節(jié)點(diǎn)記錄了A向B轉(zhuǎn)賬的事情，有的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有記錄，那到底有沒(méi)有轉(zhuǎn)賬這回事？以誰(shuí)的記錄為準(zhǔn)？

很明顯，在上述兩種情況下，通過(guò)一個(gè)合適的共識(shí)機(jī)制，讓整個(gè)系統(tǒng)能做出統(tǒng)一的決定非常重要。

因此，在區(qū)塊鏈的世界里，不同的節(jié)點(diǎn)通過(guò)預(yù)設(shè)共識(shí)算法最終達(dá)到數(shù)據(jù)的一致性，這其實(shí)就是一種通用性規(guī)則，每個(gè)人只要按照這個(gè)規(guī)則參與運(yùn)行，結(jié)果即可得到其他人的認(rèn)可。

“拜占庭容錯(cuò)共識(shí)算法”與拜占庭有何關(guān)系？

在實(shí)際運(yùn)行中，共識(shí)算法并非無(wú)懈可擊。來(lái)自各方的挑戰(zhàn)經(jīng)常會(huì)影響共識(shí)的達(dá)成，其中最大的挑戰(zhàn)還是源自“信任問(wèn)題”。

1982年，圖靈獎(jiǎng)獲得者萊斯利·蘭伯特（Leslie Lamport）等在論文中提出了這樣一個(gè)可能令共識(shí)算法失靈的情況假設(shè)，即“拜占庭將軍問(wèn)題”。

▲ 什么是 “拜占庭將軍問(wèn)題”？

由此可見(jiàn)，拜占庭容錯(cuò)（Byzantine Fault Tolerance, BFT）共識(shí)算法是由拜占庭將軍問(wèn)題衍生出來(lái)的共識(shí)算法，其目的是要解決在非信任環(huán)境下，如何達(dá)成共識(shí)。

類似的故事在中國(guó)的歷史上更為普遍，例如戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的“合縱連橫”：秦國(guó)的勢(shì)力不斷強(qiáng)大，成為其他六國(guó)的共同威脅，于是六國(guó)“合縱”，合力抵抗強(qiáng)秦。與此同時(shí)，秦國(guó)也通過(guò)“連橫”分別與六國(guó)聯(lián)盟，目的是破壞六國(guó)間的“合縱”，以便孤立各國(guó)，各個(gè)擊破。

在上述背景下，無(wú)論秦國(guó)還是其他六國(guó)，均面臨所謂的“拜占庭將軍問(wèn)題”——既要聯(lián)合作戰(zhàn)，又要防范自己被滅。那時(shí)候的古人往往通過(guò)人質(zhì)或聯(lián)姻等手段建立信任，而在區(qū)塊鏈的語(yǔ)境中，類似的問(wèn)題可以由“拜占庭容錯(cuò)共識(shí)算法”來(lái)解決。

因此，作為區(qū)塊鏈的關(guān)鍵核心技術(shù)，“拜占庭容錯(cuò)共識(shí)算法”是確保區(qū)塊鏈安全可靠運(yùn)行、提升區(qū)塊鏈擴(kuò)展能力和運(yùn)行性能的核心算法，具有運(yùn)行性能高、資源消耗低、易于部署等特點(diǎn)，得到工業(yè)界的青睞，廣泛應(yīng)用于中外區(qū)塊鏈系統(tǒng)中。

“小飛象算法”有何過(guò)人之處？

此次研究成果主要完成人張振峰研究員在接受采訪時(shí)表示，如何設(shè)計(jì)高效的異步“拜占庭容錯(cuò)共識(shí)算法”，這是密碼學(xué)和分布式計(jì)算領(lǐng)域的著名難題。自20世紀(jì)80年代起，包括多位圖靈獎(jiǎng)得主在內(nèi)的眾多國(guó)際著名學(xué)者先后對(duì)這一難題進(jìn)行探索，2016年提出的“蜜獾算法”(Honey Badger BFT)是第一個(gè)接近實(shí)用的異步共識(shí)算法，已被應(yīng)用于區(qū)塊鏈平臺(tái)。

張振峰指出，為設(shè)計(jì)完全實(shí)用的異步共識(shí)算法，中科院軟件所于2015年開(kāi)展“小飛象算法”研究工作，該算法以獨(dú)到視角對(duì)“蜜獾算法”進(jìn)行分析，揭示其性能受限的根源是大量隨機(jī)化子模塊調(diào)用導(dǎo)致的運(yùn)行時(shí)間增加，提出全新的可證明可靠廣播原語(yǔ)，通過(guò)密碼學(xué)“證明”保證了交易廣播的正確完成，并給出基于門(mén)限數(shù)字簽名技術(shù)的高效構(gòu)造方法，通過(guò)一種創(chuàng)新性的多值拜占庭共識(shí)應(yīng)用，將對(duì)交易的共識(shí)轉(zhuǎn)換為對(duì)“證明”的共識(shí)，使“小飛象算法”在容忍1/3的惡意節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，突破異步共識(shí)算法在性能上的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

目前，在遍布全球四大洲的100個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中，“小飛象算法”的確認(rèn)延遲時(shí)間為24秒、不到“蜜獾算法”的1/20，交易吞吐量為每秒近1.8萬(wàn)筆、是“蜜獾算法”的9倍多。

張振峰還表示，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)完成“小飛象算法”的創(chuàng)造性突破，不僅解決了異步共識(shí)算法設(shè)計(jì)的理論難題，而且在性能上大幅提升并全面超越當(dāng)前工業(yè)界采用的“蜜獾算法”，從而成為國(guó)際首個(gè)完全實(shí)用的異步共識(shí)算法。這項(xiàng)研究成果，可為中國(guó)區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供強(qiáng)安全、高性能、可擴(kuò)展的新一代核心技術(shù)。

來(lái)源：新華網(wǎng)思客綜合