为什么共识算法在以分权为特征的区块链技术中很重要？什么是「拜占庭容错共识算法」？「小飞象算法」有什么优点？近日，中科院软件所张振丰团队和新泽西理工学院唐强团队在区块链核心技术拜占庭容错(BFT)共识研究上取得重要突破，提出了世界上第一个完全实用的异步共识算法“Dumbo BFT算法”(简称“Dumbo BFT算法”)。

为什么共识算法在以分权为特征的区块链技术中很重要？什么是「拜占庭容错共识算法」？「小飞象算法」有什么优点？

共识算法为什么重要？

权力下放是区块链的特点之一。在分权制下，没有“决策”角色，就像一个临时旅游团。有些人想去东方，有些人想去西方。

“集权”与“分权”

我们再举一个更贴近生活的例子。在传统的金融系统中，A向B转账一笔钱，会存入银行数据库。交易数据的真实性由银行等传统机构保证，以其记录为准。

但是，在分散的区块链系统比特币中，有些节点可能会记录从A到B的转移，有些节点可能不会记录。有这样的转移吗？以谁的记录为准？

显然，在以上两种情况下，整个系统通过适当的共识机制做出统一的决策是非常重要的。

因此，在区块链的世界中，不同的节点最终通过预设的一致性算法实现数据一致性，这其实是一个普遍规律。每个人都可以按照这个规则参与操作，结果可以被别人认可。

拜占庭容错一致性算法和拜占庭有什么关系？

实际上，共识算法并非无懈可击。来自各方的挑战往往影响共识，最大的来自“信任问题”。

1982年，图灵奖获得者莱斯利兰波特提出了这样一个共识算法可能失败的假设，即“拜占庭一般问题”。

什么是「拜占庭一般问题」？

可以看出，拜占庭容错(BFT)一致性算法是从拜占庭一般问题中衍生出来的一致性算法，其目的是解决在不信任的环境中如何达成一致的问题。

类似的故事在中国历史上更为常见，比如战国时期的“联合连横”:秦国日益壮大的实力成为其他六国的共同威胁，于是六国“联手”抵抗强秦。同时，秦国还通过“联亨”与六国结盟，目的是破坏六国之间的“联盟”，从而达到孤立六国、分裂六国的目的。

在上述背景下，无论是秦国还是其他六国，都面临着所谓的“拜占庭一般问题”——，既需要联合作战，又要防止自毁。当时古人往往以人质或婚姻的方式建立信任。在区块链的背景下，类似的问题可以通过拜占庭容错一致性算法来解决。

因此，作为区块链的关键核心技术，“拜占庭容错一致性算法”是保证区块链安全可靠运行、提高区块链扩展能力和运行性能的核心算法。它具有运行性能高、资源消耗低、易于部署等特点。并受到业界的青睐，广泛应用于国内外区块链系统中。

「小飞象算法」有什么优点？

该研究成果的主要作者张振丰研究员在接受采访时表示，如何设计高效的异步“拜占庭容错一致性算法”是密码学和分布式计算中的一个著名问题。自20世纪80年代以来，包括许多图灵奖获得者在内的许多国际知名学者纷纷探索这个难题。蜂蜜獾BFT，2016年提出，是第一个接近实际的异步一致性算法，并已应用于区块链平台。

张振丰指出，为了设计出完全实用的异步共识算法，中科院软件所于2015年启动了“小飞象算法”的研究工作。该算法从独特的角度对“蜜獾算法”进行了分析，揭示了其性能受限的根源是大量随机子模块调用导致的运行时间增加。提出了一种全新的可证明的、可靠的广播原语，通过密码学的“证明”来保证交易广播的正确完成。给出了一种基于门限数字签名技术的高效构造方法。通过一个多值拜占庭共识的创新性应用，将事务上的共识转化为“证明”上的共识，使得“飞行图像算法”容忍1/3恶意节点，在性能上突破异步共识算法的设计挑战。

目前，在遍布四大洲的100个共识节点的测试网络中，“飞象算法”的确认延迟时间为24秒，不到“蜜獾算法”的1/20，事务吞吐量接近每秒18000个事务，是“蜜獾算法”的9倍多。

张振丰还表示，联合团队对“小飞行图像算法”的创造性突破，不仅解决了异步共识算法设计的理论问题，而且大大提高了其性能，完全超越了目前业界采用的“蜜獾算法”，成为世界上第一个完全实用的异步共识算法。研究成果可为中国区块链基础设施建设提供安全性强、性能高、可扩展性强的新一代核心技术。