TRON造知识局 | 区块链与拜占庭将军问题

众所周知，区块链技术可以让用户在无需通过中心化机构的情况下，安全地共享和交换数据。以比特币、TRX为代表的加密货币，可以让人们在去中心化网络上完成支付交易。那么，区块链是如何实现去中心化共识的，它又是如何防止数据被篡改或伪造的呢？为了回答这些疑问，本期TRON造知识局，我们一同来关注区块链与拜占庭将军（Byzantine Generals Problem）问题。

拜占庭将军问题是一个经典的分布式系统中的共识问题，最早由Leslie Lamport等学者于 1982年提出。分布式系统是指由多个节点（计算机或设备）组成的系统，这些节点通过网络连接在一起，共同完成特定任务。那么，如何在存在恶意行为的情况下使得多个节点达成一致决策呢？Leslie Lamport等人用了一则有关拜占庭将军的虚构故事来描述这一过程。

拜占庭是古代东罗马帝国的首都，它曾经是世界上最强大、最富有的城市之一。但是，由于地域广阔，拜占庭经常遭受外敌侵略和内部叛乱。为了保卫边境，拜占庭派出了多支军队，由不同的将军指挥。

这些将军需要通过信使来传递消息，商量战略。不过信使可能会被敌人截获或杀死，消息可能会丢失或延迟。此外，有些将军还可能是叛徒，他们会故意发送错误的消息，或者不遵守约定的行动计划。在没有其他信息或证据的情况下，正直的将军该如何做出正确的决定呢？这就是拜占庭将军问题的核心。

拜占庭将军问题提出后，一般把出现故障但没有伪造信息的情况称为“非拜占庭错误（Non-Byzantine Fault）”或“故障错误（Crash Fault）”，而将伪造信息恶意响应的情况称为“拜占庭错误”（Byzantine Fault）。

相应地，用于解决拜占庭将军问题的算法也被称作拜占庭容错算法（BFT: Byzantine Fault Tolerance）。通过拜占庭容错算法，即使某些节点出现问题或恶意行为，系统也能够继续运转。本质上来说，拜占庭容错算法就是一类少数服从多数的方案。

区块链与拜占庭将军问题有着密切的联系。区块链网络是一种分布式网络，其节点就像拜占庭将军一样，需要在不可靠的网络环境中达成交易和数据的共识。为了解决拜占庭将军问题，区块链技术的思路是，通过密码学方法将数据分成多个区块，并将每个区块通过哈希值连在一起，形成一个不可篡改的数据链。

由于每个区块都包含了一些交易或数据，以及前一个区块的哈希值。这样，如果任何一个区块被修改了，它的哈希值就会改变，从而导致后续的所有区块的哈希值都无效。这就保证了区块链上的数据具有完整性和不可伪造性。

但是仅靠密码学方法是远远不够的，因为在去中心化系统中，可能会出现多个不同的区块链版本。为了保证所有节点都能达成一致的共识，需要有一种机制来决定哪一个版本是有效的，哪些版本是无效的。这就是区块链技术中的共识机制。

例如，比特币网络使用了 PoW共识机制来解决拜占庭容错问题：首先，限制一段时间内整个网络中的区块数量，通过工作量证明来增加出块成本；其次，约定区块链始终顺延已知最长的链进行拓展。

这样一来，即便有人试图恶意破坏，也会付出相应的经济代价，即超过整体系统一半的工作量。后来的各种 PoX系列算法，也都是沿着这个思路进行改进，采用经济博弈来制约攻击者。