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水冷器闲聊，第12期：拜占庭容错 | Towards Data Science

区块链

水冷器闲聊，第12期：拜占庭容错

当房间里没有人值得信任时，如何做出决策？

Maria Mouschoutzi

2026年7月20日

10分钟阅读

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作者使用ChatGPT Images 2.0生成的图片

最近我进行了一项小研究，花了一些时间了解区块链，幸运的是不是从加密货币交易员的视角，而是出于对它实际运作机制的纯粹好奇。在深入探索的过程中，我不断遇到一个此前从未听说过的概念——拜占庭容错。

简而言之，拜占庭容错是一种系统特性，它使系统即使包含一些恶意参与者时仍能正常运行。因此，这次水冷器闲聊将围绕拜占庭容错展开：解释它是什么、起源何处、为何重要，以及区块链为何成为解决一个古老问题的优雅方案。

那么，让我们开始吧！

从拜占庭将军到计算机

拜占庭容错这一系统特性得名于一个博弈论问题，即拜占庭将军问题：

一群拜占庭将军包围了一座堡垒。他们必须共同决定是进攻还是撤退。无论是撤退还是进攻，只要所有人协调一致就能成功。协调一致的进攻会成功，协调一致的撤退也会成功。但如果有些将军进攻而另一些撤退，结果将是失败。将军之间的通信是全连接的，他们只能通过互相派信使进行沟通。然而，其中一些将军可能是叛徒。具体来说，叛徒不仅会投错误的票，还会通过向不同将军发送矛盾信息来欺骗其他将军。例如，叛徒可能告诉一位将军进攻，同时告诉另一位将军撤退，刻意制造分裂。与此同时，忠诚的将军事先无法知道谁是叛徒。问题是：在这样的将军设置中，是否有可能达成共识？如果可能，又是如何实现的？需要满足哪些条件？

这个问题最早由计算机科学家Leslie Lamport、Robert Shostak和Marshall Pease在1982年的论文中正式描述。尽管场景设定在中世纪军事背景中，但所描述的问题是计算机科学中最基础的挑战之一。也就是说，当分布式系统中某些参与者可能发送虚假信息时，如何达成可靠的共识？

在分布式计算机系统中，将军被替换为节点：单个计算机或服务器，每个节点都保存着共享状态（数据库、账本、交易记录）的副本。分布式系统的所有节点都需要就这个共享的真实状态达成一致。就像将军们通过互相发送信息进行沟通一样，这些节点中的一些可能存在问题。

但为什么不能简单投票？直观上，人们可能会认为每个将军只需将投票结果（进攻或撤退）发送给所有其他将军，然后统计票数，按照多数意见行动。如果超过半数投票进攻，就进攻；如果超过半数投票撤退，就撤退。

问题在于，这种机制只有在每个将军（节点）真正信任接收到的消息时才能正常工作。但在这样的网络中，可能包含叛徒，他们可能会向不同的将军发送不同的投票，以制造决策分裂。例如，将军A可能收到一条“我投票进攻”的消息，而将军B则收到同一名叛徒发送的“我投票撤退”的消息。这样一来，将军A和B可能会对网络多数意见产生不同的理解。换句话说，我们不能再单纯依赖多数投票，因为每个节点所认为的“多数”可能基于不同的消息。这种无法达成共识的问题，对那些假设中的拜占庭将军和分布式计算机网络来说，都是一个真正的挑战。

本质上，这就是拜占庭故障的定义。拜占庭故障是指分布式系统中的一种故障，其中某个组件并非简单地失效，而是以不可预测的方式运行。这意味着它可能向不同节点发送相互矛盾的信息，对某些节点表现得正常，而对其他节点则出现故障，主动生成错误的输出等。尽管如此，拜占庭故障并不一定源于网络中的恶意行为者，它也可能由电气故障、软件错误或硬件故障引起，导致节点产生任意输出。具有这种行为的节点被称为拜占庭节点。

每个将军从其他所有将军那里收到的信息。忠诚的将军发送一致的投票；叛徒则向不同接收者发送不同的投票。

无论如何，在1982年的原始论文中，作者通过数学证明表明，对于一个包含n个节点的系统，若要继续正常运行（即容忍f个拜占庭（叛徒）节点），则至少需要n ≥ 3f + 1个总节点数。换句话说，如果拜占庭节点数量超过总节点的三分之一，那么从数学上讲，这样的系统将无法可靠地达成共识，也没有算法能让这样的系统继续运行。一个系统如果至少有三分之二的节点未被破坏，并且能够正常运行并达成共识，就具有拜占庭容错特性，也被称为拜占庭容错系统。

区块链又如何？

在1982年论文发表后的数十年里，拜占庭容错一直是一个理论问题，只有在像航空航天系统、核电站等高度受控的环境中，才存在实际的解决方案。在这些环境中，每个节点都可提前审查并保证有不到三分之一的节点会叛变。换句话说，网络中的节点之间需要一定的信任，即使某些节点变成叛徒，这些叛徒的数量仍会低于三分之一（希望如此）。

#### 1. 比特币与工作量证明

这种情况一直持续到2008年，当时比特币白皮书发布，完全绕过了传统的投票方式。与此前存在的分布式网络不同，这些网络通过（希望是可信的）多数投票达成共识，而比特币白皮书提出了一种运行无需信任的分布式系统的机制。这意味着，与核电站中节点之间事先存在信任不同，比特币可以在没有任何节点相互信任的情况下运行，因为比特币的共识机制本身保证了交易的有效性。

比特币实现这一目标的具体机制称为工作量证明（Proof of Work，PoW）。简单来说，PoW通过使参与共识过程的计算成本高昂，以及使作恶行为的成本更加高昂（实际上不可能）来实现安全性。更具体地说，要添加一笔新交易，节点必须解决一个需要巨大计算能力的密码学难题。这个难题对提出交易的节点来说难以解决，但对其他节点验证解是否正确却很容易。

一个试图破坏系统并提出虚假交易的恶意节点，不仅需要重新完成其想要篡改交易的计算工作，还必须为之后每笔交易重复这一过程。这需要极其庞大的计算量！此外，它还必须比整个诚实网络的总计算能力更快地完成这些工作。实际上，这需要控制全网超过50%的算力，而这一成本极其高昂——几乎不可能实现。因此，作弊的成本会远超作弊可能带来的任何潜在收益，从而使作弊行为在经济上变得不理性。尽管如此，即使PoW能够在无信任的去中心化系统中实现可靠的交易，它也伴随着高昂的成本和高延迟（比特币交易可能需要长达10分钟才能完成）——这是由于需要进行大量计算。

#### 2. 现代区块链与权益证明（PoS）

在进一步拓展“使作弊行为在经济上变得不理性”这一理念的同时，现代区块链还尝试让系统本身运行得更快，另一种共识机制是权益证明（Proof of Stake，PoS）。自2022年起，以太坊区块链以及Solana、Sui等现代区块链均采用PoS机制。PoS的原理与PoW相同，但其通过让网络节点提交经济抵押物来直接使作弊行为成本高昂，而非通过计算间接实现。具体来说，在PoS区块链中，验证者（提出交易的节点）必须锁定大量区块链原生代币，才能获得提出和验证交易的资格。如果某个节点提出错误交易，系统将对其进行惩罚并没收部分抵押物。与PoW的区别在于，PoS通过经济惩罚而非计算不可行性来应对拜占庭行为。

PoS的另一个特点在于，它确实使系统更接近拜占庭容错（BFT）机制。与完全绕过经典BFT投票模型、将作恶阈值设定为全网50%算力的PoW不同，PoS使我们重新回到原始的拜占庭容错框架。在PoS系统中，验证者通过质押的代币数量作为权重，对交易的有效性进行投票。这意味着1982年原始论文中提到的1/3阈值再次适用：如果拜占庭验证者控制的总质押价值超过1/3，共识机制可能崩溃。从经典意义上讲，PoS是明确的拜占庭容错机制，而PoW则不是——它只是解决了同一问题的不同版本。

我的思考：超越区块链的BFT

✨ 感谢阅读！✨

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