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拜占庭将军问题(Byzantine Generals Problem),是由莱斯利·兰波特在其同名论文中提出的分布式对等网络通信容错问题。
在分布式计算中,不同的计算机通过通讯交换信息达成共识而按照同一套协作策略行动。但有时候,系统中的成员计算机可能出错而发送错误的信息,用于传递信息的通讯网络也可能导致信息损坏,使得网络中不同的成员关于全体协作的策略得出不同结论,从而破坏系统一致性。这个难题被称为“拜占庭容错”,或者“两军问题”。
拜占庭假设是对现实世界的模型化。拜占庭将军问题被认为是容错性问题中最难的问题类型之一。拜占庭容错协议要求能够解决由于硬件错误、网络拥塞或断开以及遭到恶意攻击,其他计算机和网络可能出现不可预料的行为而带来的各种问题。并且拜占庭容错协议还要满足所要解决的问题要求的规范。
在拜占庭时代有一个墙高壁厚的城邦——拜占庭,高墙之内存放在世人无法想象多的财富。拜占庭被其他10个城邦所环绕,这10个城邦也很富饶,但和拜占庭相比就有天壤之别了。
拜占庭的十个邻居都觊觎它的财富,并希望侵略并占领它。但是,拜占庭的防御非常强大,任何单个城邦的入侵行动都会失败,而入侵者的军队也会被歼灭,使得该城邦自身遭到其他互相觊觎对方的九个城邦的入侵和劫掠。
拜占庭的防御很强,十个城邦中要有一半以上同时进攻才能攻破它。也就是说,如果有六个或者以上的相邻城邦一起进攻,他们就会成功并获得拜占庭的财富。然而,如果其中有一个或者更多城邦背叛了其他城邦,答应一起入侵但在其他城邦进攻的时候又不干了,也就导致只有五支或者更少的城邦的军队在同时进攻,那么所有的进攻城邦的军队都会被歼灭,并随后被其他的(包括背叛他们的那(几)个)城邦所入侵和劫掠。
这是一个由许多不互相信任的城邦构成的一个网络。城邦们必须一起努力以完成共同的使命。而且,各个城邦之间通讯和协调的唯一途径是通过信使骑马在城邦之间传递信息。城邦的决策者们无法聚集在一个地方开个会(所有的城邦的决策者都不互相信任自己的安全会在自己的城堡或者军队范围之外能够得到保障)。
城邦的决策者可以在任意时间以任意频率派出任意数量的信使到任意的对方。每条信息都包含如下的内容:“我城邦将在某一天的某个时间发动进攻,你城邦愿意加入吗?”。如果收信城邦同意了,该城邦就会在原信上附上一份签名了的或盖了图章的(以就是验证了的)回应然送回发信城邦。然后,再把新合并了的信息的拷贝一一发送给其他八个城邦,要求他们也如此这样做。最后的目标是,通过在原始信息链上盖上他们所有十个城邦的决策者的图章,让他们在时间上达成共识。最后的结果是,会有一个盖有十个同意同一时间发动进攻的图章信息包,和一些被抛弃了的包含部分但不是全部图章的信息包。
在这个过程中首先出现了第一个问题,就是如果每个城邦向其他九个城邦派出一名信使,那么就是十个城邦每个派出了九名信使,也就是在任何一个时间又总计90次的传输,并且每个城市分别收到九个信息,可能每一封都写着不同的进攻时间。
在这个过程中还有第二个问题,就是部分城邦会答应超过一个的攻击时间,故意背叛进攻发起人,所以他们将重新广播超过一条(甚至许许多多条)的信息包,由此产生许多甚至无数的足以淹没一切的杂音。
有了以上两个问题,整个网络系统可能迅速变质,并演变成不可信的信息和攻击时间相互矛盾的纠结体。
拜占庭假设是对现实网络世界的一种模型化。在现实网络世界中由于硬件错误、网络拥塞或断开以及遭到恶意攻击,网络可能出现许许多多不可预料的行为。拜占庭容错协议必须处理这些失效,并且还要使这些协议满足所要解决的问题所要求的规范。
对于拜占庭将军问题中本聪的区块链给出了比较圆满的解决方案。也就是比较圆满的解决了上述的两个问题。
拜占庭将军问题的第一个问题从本质上来讲就是时间和空间的障碍导致信息的不准确和不及时。
区块链对于第一个问题的解决方案是利用分布式存储技术和比特流技术(BT技术,一种新型的点对点传输技术,具有节点同时作为客户端和服务器端和没有中心服务器等特点),将整个网络系统内的所有交易信息汇总为一个统一的,分布式存储的,近乎实时同步更新的电子总账。统一的分布式共同账本就解决了空间障碍问题;而近乎同步进行的,实时的,持续的对所有账本备份的更新、对账则解决了时间障碍问题。
这个过程较具体一点的描述大概是将区块链系统内所有的交易活动的记录数据统一于一种标准化的总帐上;区块链系统的每一个节点都会保存一份总帐的备份;所有总帐的备份都是在实时的,持续的更新、对账、以及同步着。区块链系统的每一个节点能在这本总帐里记上添加记录;每一笔新添加的记录都会实时的广播到区块链系统内;所以在每一个节点上的每一份总帐的备份都是几乎同时更新的,并且所有的总帐的备份保持着同步。
拜占庭将军问题的第二个问题从本质上来讲就是关于信息过量问题和信息干扰问题。信息过量和信息干扰问题导致决策延迟,甚至决策系统崩溃而无法决策。
区块链对于第二个问题的解决方案是区块链系统的任何一个节点在发送每一笔新添加的记录时需要附带一条额外的信息。对区块链系统的任何一个节点来说这条额外的信息的获得都是有成本的,并且只能有一个节点可以获得。这样就解决了区块链系统的任何一个节点新添加额外信息时的信息多且乱而无法达成一致的问题。在这里,区块链系统的任何一个节点获得那条附带的额外的信息的过程就是著名的工作量证明机制。
共识机制主要解决区块链系统的数据如何记录和如何保存的问题。工作量证明机制就是要求区块链系统的节点通过做一定难度的工作得出一个结果的过程。
区块链系统中某节点生成了一笔新的交易记录,并且该节点将这笔新的交易记录向全网广播。全网各个节点收到这个交易记录并与其他所有准备打包进区块的交易记录共同组成交易记录列表。在列表内先对所有交易进行两两的哈希计算;再对以获得的哈希值进行哈希计算获得Merkle树和Merkle树的根值;把Merkle树的根值及其他相关字段组装成区块头。
各个节点将区块头的80字节数据加上一个不停的变更的区块头随机数一起进行不停的哈希运算(实际上这是一个双重哈希运算);不停的将哈希运算结果值与当前网络的目标值做对比,直到哈希运算结果值小于目标值,就获得了符合要求的哈希值,工作量证明也就完成了。
分布式的区块链系统是一个动态变化的系统(硬件的运算速度的增长,节点参与网络的程度的变化)。系统的不断变化必然带来系统的算力的不断变化。而算力的变化又会导致通过消耗算力(工作)来获得符合要求的哈希值的速度的不同。最终的结果会是区块链的增长速度会有巨大的不同。这是一个很大的问题。为了解决这个问题,区块链系统自动根据算力的变化对工作难度进行调整。也就是采用移动平均目标的方法来确定,难度控制为每小时生成区块的速度为某一个预定的平均数。
在区块链系统中一个符合要求的哈希值是由N个前导零构成,零的个数取决于网络的难度值。为了使区块的形成时间控制在大约十分钟左右,区块链系统采用了固定工作难度的难度算法。难度值每2016个区块调整一次零的个数。
新的难度值是根据前2015个区块(理论上应该是2016个区块,由于当初程序编写时的失误造成了用2015而不是2016)的出块时间来计算。
难度 = 目标值 * 前2015个区块生成所用的时间 / 1209600 (两周的秒钟数)
这样通过规定的算法,区块链系统就保证所有节点计算出的难度值都一致,区块的形成时间大约一致在十分钟左右。
(1)结果不可控制。其依赖机器进行哈希函数的运算来获得结果;计算结果是一个随机数;没有人能直接控制计算的结果。
(2)计算具有对称性。就是结果的获得和结果的验收需要的工作量是不同的。计算出结果所需要的工作量远远大于验收结果所需要的工作量。
(3)计算的难度自动控制。为了使区块的形成时间控制在大约十分钟左右,区块链系统自动控制了每一个符合要求的哈希获得为大约在十分钟左右。
第一,方法简单易行。
第二,系统达成共识容易,节点间不需要太多的信息交换。
第三,系统比较牢固可靠,任何破坏系统的企图都需要投入大到得不偿失的成本。
第一,消耗大量的算力,也就是浪费能源和其他资源。
第二,区块的确认时间比较长,并且难以缩短。
第三,新创立的区块链非常容易受到算力攻击。
第四,容易产生区块链分叉,稳定的区块链需要多个确认,并且这种状况可能不断持续下去。
第五,算力的逐渐集中导致与去中心化的系统设计基础的冲突日益明显。
权益证明机制是一种工作量证明机制的替代方法,试图解决工作量计算浪费的问题.目前其成功的应用是点点币区块链系统。
权益证明不要求区块链系统的节点完成一定数量的计算工作,而是要求区块链系统的节点对某些数量的钱展示所有权。
权益证明机制首先应用于点点币区块链系统中。
点点币区块链系统的区块生成时,节点需要构造一个“钱币权益”交易,即把自己的一些钱币和预先设定的奖励发给自己。进行哈希计算时,哈希值的计算只同交易输入、一些附加的固定数据以及当前时间(是一个表示自1970年1月1日距离当前时刻的秒数的正数)有关。然后,根据类似工作量证明的要求来检查这个哈希值是否正确。
点点币区块链系统的权益证明机制除了设定了哈希计算难度与交易输入的“币龄”成反比外,其与工作量证明机制非常类似。其中,币龄的定义为交易输入大小和它存在时间的乘积。权益证明机制中哈希值只和时间和固定的数据有关,因而没有办法通过多完成工作来快速获取它。
每个点点币区块链系统的交易的输出都有一定的几率来产生有效的正比于币龄和交易货币数量的工作。
第一,缩短了共识达成的时间。
第二,不再需要大量消耗能源。
第一,还是需要哈希计算。
第二,所有的确认都只是一个概率上的表达,而不是一个确定性的事情,有可能受到其他攻击影响。
授权股份证明机制类似于权益证明机制,是比特股BitShares采用的区块链公识算法。授权股份证明机制是民主选举和轮流执政相结合方式来确定区块的产生。
授权股份证明机制是先由节点选举若干代理人,由代理人验证和记账。其他方面和权益证明机制相似。
每个节点按其持股比例拥有相应的影响力,51%节点投票的结果将是不可逆且有约束力的。为达到及时而高效的方法达到51%批准的目标。每个节点可以将其投票权授予一名节点。获票数最多的前100位节点按既定时间表轮流产生区块。每名节点分配到一个时间段来生产区块。
所有的节点将收到等同于一个平均水平的区块所含交易费的10%作为报酬。
第一,大幅缩小参与验证和记账节点的数量,
第二,可以快速实现共识验证。
主要缺点就是仍然无法摆脱对代币的依赖。
在分布式计算上,不同的计算机透过讯息交换,尝试达成共识;但有时候,系统上协调计算或成员计算机可能因系统错误并交换错的讯息,导致影响最终的系统一致性。
拜占庭将军问题就根据错误计算机的数量,寻找可能的解决办法,这无法找到一个绝对的答案,但只可以用来验证一个机制的有效程度。
而拜占庭问题的可能解决方法为:
在 N ≥ 3F + 1 的情况下一致性是可能解决。其中,N为计算机总数,F为有问题计算机总数。信息在计算机间互相交换后,各计算机列出所有得到的信息,以大多数的结果作为解决办法。
第一,系统运转可以摆脱对代币的依赖,共识各节点由业务的参与方或者监管方组成,安全性与稳定性由业务相关方保证。
第二,共识的时延大约在2到5秒钟。
第三,共识效率高,可满足高频交易量的需求。
第一,当有1/3或以上记账人停止工作后,系统将无法提供服务;
第二,当有1/3或以上记账人联合作恶,可能系统会出现会留下密码学证据的分叉。
小蚁改良了实用拜占庭容错机制。该机制是由权益来选出记账人,然后记账人之间通过拜占庭容错算法来达成共识。
此算法在PBFT基础上进行了以下改进:
第一,将C/S架构的请求响应模式,改进为适合P2P网络的对等节点模式;
第二,将静态的共识参与节点改进为可动态进入、退出的动态共识参与节点;
第三,为共识参与节点的产生设计了一套基于持有权益比例的投票机制,通过投票决定共识参与节点(记账节点);
第四,在区块链中引入数字证书,解决了投票中对记账节点真实身份的认证问题。
第一,专业化的记账人;
第二,可以容忍任何类型的错误;
第三,记账由多人协同完成,每一个区块都有最终性,不会分产生区块链分叉;
第四,算法的可靠性有严格的数学证明来保证;
第一,当有1/3或以上记账人停止工作后,区块链系统将无法提供服务;
第二,当有1/3或以上记账人联合作恶,且其它所有的记账人被恰好分割为两个网络孤岛时,恶意记账人可以使区块链系统出现分叉,但是会留下密码学证据;
瑞波共识机制是全体节点选取出特殊节点组成特殊节点列表,由特殊节点列表内的节点达成共识。
初始特殊节点列表就像一个俱乐部,要接纳一个新成员,必须由51%的该俱乐部会员投票通过。共识遵循这核心成员的51%权力,外部人员则没有影响力。波共识机制将股东们与其投票权隔开,并因此比其他系统更中心化。
瑞波共识机制参与共识形成的只有特殊节点,大大的减少了共识形成的时间。在实践中,瑞波区块链系统达成共识需要3-6秒钟,远远快于比特币区块链系统的10分钟。同时瑞波区块链系统对并发交易的处理达到每秒数万笔,而比特币区块链系统只有每秒7笔。
瑞波共识机制处理节点意见分歧的方式也是不同的。瑞波的信任节点对于新区块的创造进行协商的时间是区块链更新前。先协商,达成共识后再对区块链进行更新。
由于瑞波共识机制的共识是由特殊节点达成的,普通节点并不需要维护一个完整的历史账本。各个节点可以根据自己的业务需要选择同步同步完整的历史账本或者任意最近几步的账本。这也意味着对存储空间和网络流量需求的减少。
瑞波共识机制取消了挖坑的发行货币机制,采用了原生货币(1000亿枚)的方式发币,从而大量的避免了挖矿的天量能耗。
区块链运作区块链u币核心系统的7个核心技术介绍 2018-01-15
1.区块链的链接
顾名思义区块链u币核心系统,区块链即由一个个区块组成的链。每个区块分为区块头和区块体(含交易数据)两个部分。区块头包括用来实现区块链接的前一区块的哈希(PrevHash)值(又称散列值)和用于计算挖矿难度的随机数(nonce)。前一区块的哈希值实际是上一个区块头部的哈希值,而计算随机数规则决定了哪个矿工可以获得记录区块的权力。
2.共识机制
区块链是伴随比特币诞生的,是比特币的基础技术架构。可以将区块链理解为一个基于互联网的去中心化记账系统。类似比特币这样的去中心化数字货币系统,要求在没有中心节点的情况下保证各个诚实节点记账的一致性,就需要区块链来完成。所以区块链技术的核心是在没有中心控制的情况下,在互相没有信任基础的个体之间就交易的合法性等达成共识的共识机制。
区块链的共识机制目前主要有4类:PoW、PoS、DPoS、分布式一致性算法。
3.解锁脚本
脚本是区块链上实现自动验证、自动执行合约的重要技术。每一笔交易的每一项输出严格意义上并不是指向一个地址,而是指向一个脚本。脚本类似一套规则,它约束着接收方怎样才能花掉这个输出上锁定的资产。
交易的合法性验证也依赖于脚本。目前它依赖于两类脚本:锁定脚本与解锁脚本。锁定脚本是在输出交易上加上的条件,通过一段脚本语言来实现,位于交易的输出。解锁脚本与锁定脚本相对应,只有满足锁定脚本要求的条件,才能花掉这个脚本上对应的资产,位于交易的输入。通过脚本语言可以表达很多灵活的条件。解释脚本是通过类似区块链u币核心系统我们编程领域里的“虚拟机”,它分布式运行在区块链网络里的每一个节点。
4.交易规则
区块链交易就是构成区块的基本单位,也是区块链负责记录的实际有效内容。一个区块链交易可以是一次转账,也可以是智能合约的部署等其他事务。
就比特币而言,交易即指一次支付转账。其交易规则如下:
1)交易的输入和输出不能为空。
2)对交易的每个输入,如果其对应的UTXO输出能在当前交易池中找到,则拒绝该交易。因为当前交易池是未被记录在区块链中的交易,而交易的每个输入,应该来自确认的UTXO。如果在当前交易池中找到,那就是双花交易。
3)交易中的每个输入,其对应的输出必须是UTXO。
4)每个输入的解锁脚本(unlocking )必须和相应输出的锁定脚本(locking )共同验证交易的合规性。
5.交易优先级
区块链交易的优先级由区块链协议规则决定。对于比特币而言,交易被区块包含的优先次序由交易广播到网络上的时间和交易额的大小决定。随着交易广播到网络上的时间的增长,交易的链龄增加,交易的优先级就被提高,最终会被区块包含。对于以太坊而言,交易的优先级还与交易的发布者愿意支付的交易费用有关,发布者愿意支付的交易费用越高,交易被包含进区块的优先级就越高。
6.Merkle证明
Merkle证明的原始应用是比特币系统(Bitcoin),它是由中本聪(Satoshi Nakamoto)在2009年描述并且创造的。比特币区块链使用了Merkle证明,为的是将交易存储在每一个区块中。使得交易不能被篡改,同时也容易验证交易是否包含在一个特定区块中。
7.RLP
RLP(Recursive Length Prefix,递归长度前缀编码)是Ethereum中对象序列化的一个主要编码方式,其目的是对任意嵌套的二进制数据的序列进行编码。
简单来说,区块链是一个提供了拜占庭容错、并保证了最终一致性区块链u币核心系统的分布式数据库;从数据结构上看,它是基于时间序列的链式数据块结构;从节点拓扑上看,它所有的节点互为冗余备份;从操作上看,它提供了基于密码学的公私钥管理体系来管理账户。
或许以上概念过于抽象,我来举个例子,区块链u币核心系统你就好理解了。
你可以想象有 100 台计算机分布在世界各地,这 100 台机器之间的网络是广域网,并且,这 100 台机器的拥有者互相不信任。
那么,我们采用什么样的算法(共识机制)才能够为它提供一个可信任的环境,并且使得:
节点之间的数据交换过程不可篡改,并且已生成的历史记录不可被篡改;
每个节点的数据会同步到最新数据,并且会验证最新数据的有效性;
基于少数服从多数的原则,整体节点维护的数据可以客观反映交换历史。
区块链就是为了解决上述问题而产生的技术方案。
二、区块链的核心技术组成
无论是公链还是联盟链,至少需要四个模块组成:P2P 网络协议、分布式一致性算法(共识机制)、加密签名算法、账户与存储模型。
1、P2P 网络协议
P2P 网络协议是所有区块链的最底层模块,负责交易数据的网络传输和广播、节点发现和维护。
通常我们所用的都是比特币 P2P 网络协议模块,它遵循一定的交互原则。比如:初次连接到其他节点会被要求按照握手协议来确认状态,在握手之后开始请求 Peer 节点的地址数据以及区块数据。
这套 P2P 交互协议也具有自己的指令集合,指令体现在在消息头(Message Header) 的 命令(command)域中,这些命令为上层提供了节点发现、节点获取、区块头获取、区块获取等功能,这些功能都是非常底层、非常基础的功能。如果你想要深入了解,可以参考比特币开发者指南中的 Peer Discovery 的章节。
2、分布式一致性算法
在经典分布式计算领域,我们有 Raft 和 Paxos 算法家族代表的非拜占庭容错算法,以及具有拜占庭容错特性的 PBFT 共识算法。
如果从技术演化的角度来看,我们可以得出一个图,其中,区块链技术把原来的分布式算法进行了经济学上的拓展。
在图中我们可以看到,计算机应用在最开始多为单点应用,高可用方便采用的是冷灾备,后来发展到异地多活,这些异地多活可能采用的是负载均衡和路由技术,随着分布式系统技术的发展,我们过渡到了 Paxos 和 Raft 为主的分布式系统。
而在区块链领域,多采用 PoW 工作量证明算法、PoS 权益证明算法,以及 DPoS 代理权益证明算法,以上三种是业界主流的共识算法,这些算法与经典分布式一致性算法不同的是,它们融入了经济学博弈的概念,下面我分别简单介绍这三种共识算法。
PoW: 通常是指在给定的约束下,求解一个特定难度的数学问题,谁解的速度快,谁就能获得记账权(出块)权利。这个求解过程往往会转换成计算问题,所以在比拼速度的情况下,也就变成了谁的计算方法更优,以及谁的设备性能更好。
PoS: 这是一种股权证明机制,它的基本概念是你产生区块的难度应该与你在网络里所占的股权(所有权占比)成比例,它实现的核心思路是:使用你所锁定代币的币龄(CoinAge)以及一个小的工作量证明,去计算一个目标值,当满足目标值时,你将可能获取记账权。
DPoS: 简单来理解就是将 PoS 共识算法中的记账者转换为指定节点数组成的小圈子,而不是所有人都可以参与记账。这个圈子可能是 21 个节点,也有可能是 101 个节点,这一点取决于设计,只有这个圈子中的节点才能获得记账权。这将会极大地提高系统的吞吐量,因为更少的节点也就意味着网络和节点的可控。
3、加密签名算法
在区块链领域,应用得最多的是哈希算法。哈希算法具有抗碰撞性、原像不可逆、难题友好性等特征。
其中,难题友好性正是众多 PoW 币种赖以存在的基础,在比特币中,SHA256 算法被用作工作量证明的计算方法,也就是我们所说的挖矿算法。
而在莱特币身上,我们也会看到 Scrypt 算法,该算法与 SHA256 不同的是,需要大内存支持。而在其他一些币种身上,我们也能看到基于 SHA3 算法的挖矿算法。以太坊使用了 Dagger-Hashimoto 算法的改良版本,并命名为 Ethash,这是一个 IO 难解性的算法。
当然,除了挖矿算法,我们还会使用到 RIPEMD160 算法,主要用于生成地址,众多的比特币衍生代码中,绝大部分都采用了比特币的地址设计。
除了地址,我们还会使用到最核心的,也是区块链 Token 系统的基石:公私钥密码算法。
在比特币大类的代码中,基本上使用的都是 ECDSA。ECDSA 是 ECC 与 DSA 的结合,整个签名过程与 DSA 类似,所不一样的是签名中采取的算法为 ECC(椭圆曲线函数)。
从技术上看,我们先从生成私钥开始,其次从私钥生成公钥,最后从公钥生成地址,以上每一步都是不可逆过程,也就是说无法从地址推导出公钥,从公钥推导到私钥。
4、账户与交易模型
从一开始的定义我们知道,仅从技术角度可以认为区块链是一种分布式数据库,那么,多数区块链到底使用了什么类型的数据库呢?
我在设计元界区块链时,参考了多种数据库,有 NoSQL 的 BerkelyDB、LevelDB,也有一些币种采用基于 SQL 的 SQLite。这些作为底层的存储设施,多以轻量级嵌入式数据库为主,由于并不涉及区块链的账本特性,这些存储技术与其他场合下的使用并没有什么不同。
区块链的账本特性,通常分为 UTXO 结构以及基于 Accout-Balance 结构的账本结构,我们也称为账本模型。UTXO 是“unspent transaction input/output”的缩写,翻译过来就是指“未花费的交易输入输出”。
这个区块链中 Token 转移的一种记账模式,每次转移均以输入输出的形式出现;而在 Balance 结构中,是没有这个模式的。
写到这里,本文关于区块链u币核心系统和区块链ubank下载的介绍到此为止了,如果能碰巧解决你现在面临的问题,如果你还想更加了解这方面的信息,记得收藏关注本站。
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