如何读懂区块链技术？“小飞象算法”有何过人之处？

近日，中国科学院软件研究所张振峰团队联合美国新泽西理工学院唐强团队，在区块链核心技术的拜占庭容错(BFT)共识研究中取得重要突破，在国际上提出首个完全实用的异步共识算法“小飞象拜占庭容错(DumboBFT)算法”(简称“小飞象算法”)。

在以“去中心化”为主要特征的区块链技术中，共识算法为什么重要？什么是“拜占庭容错共识算法”？“小飞象算法”又有哪些过人之处？

共识算法为什么重要？

“去中心化”是区块链的特征之一。在一个去中心化的系统里，没有负责“拍板”的角色，这就好比一个临时组成的旅游团，有人想往东，有人想往西。

Life预言机协议：正在探索如何把真实数据存储在Filecoin网络:北京时间2021年5月18日15时，Life预言机协议官方发布博客表示正在探索如何把真实数据存储在Filecoin网络。Life去中心化数据预言机协议启动于2017年，旨在实现区块链与现实世界的数据可信交互。Life是一个集成了智能合约、加密算法、通证经济以及各种API的综合性去中心化预言机网络。生态参与者可依靠智能硬件采集设备进行海量数据收集，后端接入Life完成数据的加密存储、确权和自由流转。目前Life与可信硬件厂商的合作开发已经进展到了最后的阶段，相关可信硬件（数据采集设备）已经研发完成，不久将会上市。Life技术团队目前正基于Filecoin网络完善相关的API，以实现可信硬件采集的数据可直接上传至Filecoin网络。[2021/5/19 22:20:00]

“中心化”与“去中心化”

欧科集团徐明星对话全国政协委员 谈抗击疫情区块链如何发挥作用:3月20日，全国政协云上“小双周”座谈会今天举行。全国政协委员，中国证监会原主席肖钢等多位全国政协委员、业界专家代表出席。会上，欧科集团创始人徐明星发表“区块链+供应链抗疫期间‘扛大旗’”主题演讲。徐明星表示：“除了供应链外，区块链技术在其他领域也有重要应用。随着下一代高新技术产业的发展，区块链技术将展现出更大的应用潜力。”[2020/3/20]

再举一个更加贴近生活的例子，在传统的金融系统里，A向B转账了一笔钱，这个行为会被保存在银行数据库里，交易数据的真实性由银行这样的传统机构保证，以他们的记录为准。

声音 | 前FDIC主席：对Libra有些担忧 不知道其如何利用获得的资 金:据CCN消息，前联邦存款保险公司（FDIC）主席Sheila Bair在接受CNBC采访时对Libra提出了一些担忧，“如果我给他们一些钱去买Libra，他们会用这些钱做什么？他们在白皮书中对此有点模糊……抵押品的实力是我会问的一个问题。”尽管Libra声称自己是未来的稳定币，但尚不清楚Facebook将如何利用其外汇储备管理投资。 Bair后来重申了她关于美联储支持的加密货币的想法，然而，这一想法并没有实现。政府通常对新技术的吸收很慢，但如果成功的话，Libra可能会改变这一切。[2019/6/19]

但是在比特币这种“去中心化”的区块链系统中，可能有的节点记录了A向B转账的事情，有的节点没有记录，那到底有没有转账这回事？以谁的记录为准？

声音 | Robert Rosenblum：如果监管者将加密货币视为证券，应明确公众如何购以及交易市场建立场地等问题:据CoinDesk消息，在Token Summit 2019会议上，Wilson SAonsini Goodrich&Rosati公司的律师Robert Rosenblum表示，他的公司通常将大多数加密货币视为证券。当时他的同事总是感觉存在差距，“那么，现在怎么办？”换句话说，监管者需要解释，如果代币是证券，公众应该如何购买，交易市场可以在哪里建立。Cosmos创始人Jae Kwon也提出类似观点。他指出，没有人知道如何以美国监管机构目前认可的方式经营去中心化交易所。但是Robert Rosenblum似乎觉得这是可以解决的，“只有当我们拥有一个运行良好的市场，我们才会有更多的经验和更好的框架。”不过，这需要多长时间？这成了根本问题。缓慢折磨着快速发展的行业。欧洲合规公司MME的律师Andreas Glarner表示，来自欧洲的观点是整个行业都很困惑：“大约五年后，答案是还不清楚。否则，我们不会坐在这里（讨论）。那是外面的景色。[2019/5/18]

很明显，在上述两种情况下，通过一个合适的共识机制，让整个系统能做出统一的决定非常重要。

因此，在区块链的世界里，不同的节点通过预设共识算法最终达到数据的一致性，这其实就是一种通用性规则，每个人只要按照这个规则参与运行，结果即可得到其他人的认可。

“拜占庭容错共识算法”与拜占庭有何关系？

在实际运行中，共识算法并非无懈可击。来自各方的挑战经常会影响共识的达成，其中最大的挑战还是源自“信任问题”。

1982年，图灵奖获得者莱斯利·兰伯特等在论文中提出了这样一个可能令共识算法失灵的情况假设，即“拜占庭将军问题”。

什么是“拜占庭将军问题”？

由此可见，拜占庭容错共识算法是由拜占庭将军问题衍生出来的共识算法，其目的是要解决在非信任环境下，如何达成共识。

类似的故事在中国的历史上更为普遍，例如战国时期的“合纵连横”：秦国的势力不断强大，成为其他六国的共同威胁，于是六国“合纵”，合力抵抗强秦。与此同时，秦国也通过“连横”分别与六国联盟，目的是破坏六国间的“合纵”，以便孤立各国，各个击破。

在上述背景下，无论秦国还是其他六国，均面临所谓的“拜占庭将军问题”——既要联合作战，又要防范自己被灭。那时候的古人往往通过人质或联姻等手段建立信任，而在区块链的语境中，类似的问题可以由“拜占庭容错共识算法”来解决。

因此，作为区块链的关键核心技术，“拜占庭容错共识算法”是确保区块链安全可靠运行、提升区块链扩展能力和运行性能的核心算法，具有运行性能高、资源消耗低、易于部署等特点，得到工业界的青睐，广泛应用于中外区块链系统中。

“小飞象算法”有何过人之处？

此次研究成果主要完成人张振峰研究员在接受采访时表示，如何设计高效的异步“拜占庭容错共识算法”，这是密码学和分布式计算领域的著名难题。自20世纪80年代起，包括多位图灵奖得主在内的众多国际著名学者先后对这一难题进行探索，2016年提出的“蜜獾算法”(HoneyBadgerBFT)是第一个接近实用的异步共识算法，已被应用于区块链平台。

张振峰指出，为设计完全实用的异步共识算法，中科院软件所于2015年开展“小飞象算法”研究工作，该算法以独到视角对“蜜獾算法”进行分析，揭示其性能受限的根源是大量随机化子模块调用导致的运行时间增加，提出全新的可证明可靠广播原语，通过密码学“证明”保证了交易广播的正确完成，并给出基于门限数字签名技术的高效构造方法，通过一种创新性的多值拜占庭共识应用，将对交易的共识转换为对“证明”的共识，使“小飞象算法”在容忍1/3的恶意节点的同时，突破异步共识算法在性能上的设计挑战。

目前，在遍布全球四大洲的100个共识节点的测试网络中，“小飞象算法”的确认延迟时间为24秒、不到“蜜獾算法”的1/20，交易吞吐量为每秒近1.8万笔、是“蜜獾算法”的9倍多。

张振峰还表示，联合团队完成“小飞象算法”的创造性突破，不仅解决了异步共识算法设计的理论难题，而且在性能上大幅提升并全面超越当前工业界采用的“蜜獾算法”，从而成为国际首个完全实用的异步共识算法。这项研究成果，可为中国区块链基础设施建设提供强安全、高性能、可扩展的新一代核心技术。

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