链游说第二十五期：拜占庭问题及其解析

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拜占庭问题及其解析

区块链技术的伟大之处，就在于它的共识机制在去中心化的思想上解决了节点间互相信任的问题。区块链拥有众多节点并达到一种平衡状态，是因为共识机制。尽管密码学占据了区块链的半壁江山，但共识机制才是让区块链系统不断运行下去的关键。要深入谈及区块链的共识机制，就避不开一个问题——拜占庭问题。

中本聪所创建的比特币通过对这个系统做出一个简单的变化解决了这个问题，它为发送信息加入了成本，这降低了信息传递的速率，并加入了一个随机元素，以保证在一个时间只有一个“城邦”可以进行广播。

哈希值和比特币的关系

中本聪加入的成本是“工作量证明”（即挖矿），并且工作量证明是基于计算一个随机哈希值。哈尔算法唯一做的事情就是获得一些输入，然后进行计算，并得到一串64位的随机数字和字母的字符串。

就像如果我们输入“量子学派区块链”，运用哈希算法中的SHA256算法就会得到如下字符。

在比特币的世界中，输入数据包括到当时时间点的整个总账（区块链）。尽管单个哈希值用现在的计算机几乎可以及时地计算出来，但是比特币系统接收的工作量证明是无数个64位哈希值中唯一的哈希值，且这个哈希值前13个字符均为0，这样一个哈希值是极其罕见、不可能被破解的，并且在当前需要花费整个比特币网络总算力约10分钟才能找到一个。

在一台网络计算机随机找到一个有效哈希值之前，上十亿个的无效值会被计算出来，计算哈希值需要花费大量时间，增加了发送信息的时间间隔，造成信息传递速率减慢，这就是使整个系统可用的“工作量证明”。

而那台发现下一个有效哈希值的机器，能将所有之前的信息放到一起，附上它自己的辨识信息及它的签名或印章等，向网络中的其他机器广播出去。只要其他网络中的机器接收并验证通过了这个有效的哈希值和附着在上面的签名信息，它们才会停止当下的计算，使用新的信息更新它们的总账复制，然后把新更新的总账作为哈希算法的输入，再次开始计算哈希值。哈希计算竞赛从一个新的开始点重新开始。

如此这般，网络持续同步着，所有网络上的节点都使用着同一版本的总账。

与此同时，每一次成功找到有效哈希值及区块链更新的间隔大概是10分钟（这是故意的，算法难度每梁中原调整一次，以保证网络一直需要花费10分钟来找到一个有效的哈希值）。在这10分钟内，参与者可以发送信息并完成交易，所有的交易信息会随着分布式账本扩展到其他每一个节点，直到每个节点都完成总账复制。当区块链更新并在全网同步之后，在之前10分钟内进入区块链的所有交易也被更新并同步，因此分散的交易记录是在所有的参与者之间进行对账和同步的。

最后，在用户向网络输入一笔交易时，他们使用内嵌在比特币客户端的标准公钥加密工具来加密，同时用他们的私钥及接收者的公钥为这笔交易签名。这对应于拜占庭问题中他们用来签名和验证消息时使用的“印章”。因此，哈希计算速率的限制，加上公钥加密，使一个不可信网络编程一个可信的网络，所有参与者可以再某些事情上达成一致（比如说攻击事件，或者一系列的交易、域名记录、政治投票系统，或者其他任何需要分布式协议的地方）。

城邦之间传递信息

将比特币的共识机制引入拜占庭问题，就形成这样一种情况：城邦A向其他9个城邦发送进攻相关信息时，直接将相关信息及其当时发送的时间附加在通过哈希算法加密的信息中，同样加上独属于自己的数字签名，传递给其他城邦。

当城邦B收到城邦A发送的消息后，用相应的网络机器验证通过有效哈希值和附加的签名和时间戳信息，通过解密获得其中信息，并将这条信息的相关记录同步在城邦B查阅了该信息的记录，加盖时间戳后，利用哈希算法对城邦B所有信息加密，再发给其他城邦。再其他城邦接收消息后，重复此流程直至所有城邦都收到消息。

如果叛徒想要修改进攻信息来误导其他城邦，其他城邦的机器会立刻识别到异常信息，同步的虚假信息将不被认可，机器依旧会同步其他大部分共同的信息，这样叛徒就失败了。他无法破坏10个城邦当中的大多数节点，也就是至少6个节点，这样信息的一致性就得到了保证，完美地解决了拜占庭问题。

这就是区块链共识机制为何如此特别的关键，它为一个算法上的难题提供了解决方案。区块链的共识机制通过不断同步各个节点的信息，使得各分布式节点之间达成了一种平衡，保证了绝大多数节点的一致性，即达成了共识。

那今天就和大家分享到这，感谢艾场，感谢链游玩家，感谢优贝迪联名播出，谢谢，我们下期见！

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本文来源：艾场fieldchain
原文标题：链游说第二十五期：拜占庭问题及其解析

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编译者/作者：艾场fieldchain

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