拜占庭将军问题
转载知乎： 拜占庭将军问题
中本聪创建比特币之前，需要在去中心化网络中解决拜占庭将军问题，现有的算法和协议都是基于中心化网络的解决方案。中本聪创造性的使用了POW共识算法来解决这个问题，那么到底什么是拜占庭将军问题？
美国计算机科学家莱斯利·兰伯特（Leslie Lamport）在1982年提出拜占庭将军问题，老爷子当年在研究分布式系统容错性的时候，为了方便理解编了一个拜占庭将军的故事，论文发表后，该故事广为流传。
尝到甜头后，1989年在解决这个拜占庭问题上设计了一种称为Paxos的容错算法，继续用这种叙事风格编了一个古希腊岛屿Paxos的政府会议临时议员面临的问题，不过在发表的时候审稿人需要老爷子把Paxos岛的内容换掉，要不就拒绝发表。这么一弄，等到很多人用paxos算法实现分布式系统的时候，文章才最终发表。文章发表的时间到完成时间足足用了8年。
由于在分布式计算系统的突出贡献而获得了2013年图灵奖。老爷子在微软公司任职期间获得了该奖项，这使他成为微软研究团队中第五位获得该奖项的成员。
那么，拜占庭将军问题在分布式计算系统中，到底是什么问题？为了易于理解，让我们看看简版故事的原型：
在很久很久以前，拜占庭是东罗马帝国的首都。那个时候罗马帝国国土辽阔，为了防御目的，因此每个军队都分隔很远，将军与将军之间只能靠信使传递消息。
在打仗的时候，拜占庭军队内所有将军必需达成一致的共识，才能更好地赢得胜利。但是，在军队内有可能存有叛徒，扰乱将军们的决定。
这时候，在已知有成员不可靠的情况下，其余忠诚的将军需要在不受叛徒或间谍的影响下达成一致的协议。
我们很容易从上面找到2个问题
1、信使的信息来源的问题，是否可靠？在计算机网络中，我们可以理解我网络通道的稳定性。
2、军队所有将军是否达成某一个目标（一致进攻或撤退），如果出现叛徒的情况下如何实现？在分布式计算机网络中，如何保证所有计算机的一致性，又要允许节点计算机的故障或错误。
第1个问题在计算机称为网络通道问题，如果我们传递消息的信道的可靠的，那么问题可解。然而，是否真有这样的通道吗？
假如，
A将军向B将军派出通信兵，A要知道B是否收到信息
则，
A必须要求B给自己传输一个回执，说“我收到了，同意明天10点准时进攻”。
然，
B已经发送这条信息，B也不能确定A就一定会在这个时间进攻。
因为，
B发出的回执A并不一定能够收到，所以A需要再给B发出一个回执说“我收到了”。
网络通道问题在于系统永远需要一个“回执”，更糟糕的是，通信兵的信息如果纂改，那么目前现实并不存在一个可以一定胜利的通信协议。但这个问题又必须解决，有没有一种相对可靠的通信协议来解决大部分问题呢？
有的，这就是基于信息互联网的TCP/IP协议。TCP协议中A向B发出一个随机数x，B收到x后发给A另一个随机数y以及x+1作为答复，这样A就知道B已经收到了，然后A再发回y+1给B，这样B就知道A已经收到了。这样，A和B之间就建立了一个可靠的连接，彼此相信对方已经收到并确认信息。但是，A和B之间的通道的会出现丢失、监听或篡改的情况（我们上不了Google/Facebook这类情况,你懂的），但这已经是相对可控的解决方案了，完美的解决这个问题需要量子纠缠技术了。
第2个问题，如何在有叛徒的情况下还能保持一致性，将军们达成同一个目标？这个就是老爷子提出的拜占庭将军问题，也称为拜占庭容错。
假设1:
将军总数有3个(A、B、C)，其中叛徒将军有1个(B)：
A将军派出通信兵，B叛徒收到信息后，回复不同的命令，则对于C将军收到两个相反的消息，也无从判断谁是叛徒，系统无法达成一致。
B叛徒派出通信兵，发送两个相反的信息给另外的A、C将军，另外2个收到相反的信息，无法判断究竟谁是叛徒，系统无法达成一致。
假设2:
将军总数有4个（A、C、D），其中叛徒将军有1个（B）：
A\C\D任何一个将军派送通信兵，B同样作恶，但是收到的信息结果很容易找出那个是叛徒（计算机或节点出现问题），从而快速达成共识。
B叛徒派出通信兵，发送不同信息给另外3个，但其他三个将军之间进行通信后，他们自己也能达成一个共识。
老爷子给出算法就是计算机网络节点（计算机或机房）总数是N，叛徒数量为F（出现错误的节点），则当N>=3F+1时，共识才能达成，这就是BFT算法。拜占庭容错算法解决的是基于网络通信（大致）可靠的前提下，网络节点可能出现故障的情况下达成一致性。
1999年，由castro和liskov提出PBFT是第一个得到广泛应用的BFT算法，只要系统有2/3的节点是正常工作的，则可保证一致性。
在一个存在错误的分布式系统中，需要寻找一个算法和协议，使得整个网络满足以下三个属性：
1）一致性
2）正确性
3）可结束性
实际情况，根据不同的假设条件，有不同的算法和协议设计出来，这些算法和协议各有优势和局限，假设条件有以下几种情况：
1）故障模型：非拜占庭故障/拜占庭故障
2）通信类型：同步/异步
3）通信网络连接：节点之间直连数
4）信息发送身份：实名/匿名
5）通信通道稳定：可靠/不可靠
6）消息认证：认证/非认证
依据条件设计出来的这些算法如Paxos、Raft 、PBFT、DBFT、都是为了解决拜占庭容错，这些算法目前大部分应用在私有链和联盟链当中，需要基于中心化可控的网络系统中，而中本聪在比特币去中心化网络中创造性的引入了“工作量证明（POW : Proof of Work）”来解决这个问题。
