如何理解区块链技术？“小飞象算法”的优点是什么？

近日，中国科学院软件研究所张振峰团队与新泽西理工学院唐强团队在区块链核心技术拜占庭容错共识研究上取得了重要突破，提出了第一个完全实用的异步共识算法“Dumbo-BFT算法”（简称“Dumbo-BFT算法”）。

在以“去中心化”为特征的区块链技术中，共识算法为何重要？什么是拜占庭容错一致性算法？“小飞象算法”有哪些优点？

为什么共识算法很重要？

“去中心化”是区块链的特征之一。在一个去中心化的系统中，没有负责“决策”的角色。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

让我们再举一个更接近生活的例子。在传统的金融系统中，a把一笔钱转到B，然后存入银行数据库。交易数据的真实性由银行等传统机构保证，并以其记录为准。

然而，在比特币这样的“去中心化”区块链系统中，有些节点可能会记录从a到B的传输，而有些节点则不会。有转机吗？谁的记录是标准？

显然，在上述两种情况下，通过适当的协商一致机制，对整个系统做出统一决策是非常重要的。

因此，在区块链的世界里，不同的节点最终通过预设的一致性算法来实现数据的一致性，这其实是一个普遍的规律。只要每个人都按照这个规则参与操作，结果就能被别人认可。

拜占庭容错一致性算法和拜占庭算法之间的关系是什么？

在实践中，共识算法并不是完美无缺的。来自各方的挑战往往影响共识，最大的挑战来自“信任问题”。

1982年，图灵奖获得者莱斯利·兰波特在他的论文中提出了这样一个假设，即“拜占庭一般问题”。

拜占庭的一般问题是什么？

可以看出，拜占庭容错一致性算法是从拜占庭一般问题中衍生出来的一种一致性算法。其目的是解决如何在非信任环境下达成共识。

类似的故事在中国历史上更为常见。如战国时期，秦国势力日益强大，成为其他六国的共同威胁，六国联手抵抗强大的秦国。同时，秦国还通过“联横”加入六国同盟，意在破坏六国之间的“合作”，从而孤立六国，打破六国之间的隔阂。

在这种背景下，秦国和六国都面临着所谓的“拜占庭一般问题”——不仅要共同作战，还要防止自己的毁灭。当时，古人习惯以人质或婚姻来建立信任。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，“拜占庭容错共识算法”作为区块链的关键核心技术，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，受到业界的青睐。广泛应用于中外区块链系统。

“小飞象算法”的优点是什么？

完成研究的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”是密码学和分布式计算领域的一个著名问题。20世纪80年代以来，包括多位图灵奖得主在内的许多国际著名学者对这一问题进行了探索。2016年提出的Honey badger BFT是第一个近乎实用的异步一致性算法，已应用于区块链平台。

张振峰指出，为了设计出一种完全实用的异步一致性算法，中科院软件所于2015年开展了“小飞象算法”的研究工作。该算法从独特的角度分析了“蜜獾算法”，揭示了其性能受限的根本原因是大量随机子模块调用导致运行时间的增加。提出了一种新的可证明可靠的广播原语，“证明”保证了事务广播的正确完成，并给出了一种基于门限数字签名技术的高效构造方法。通过创新的多值拜占庭一致性应用，将事务一致性转化为“证明”一致性，使“小飞象算法”能够容忍1/3的恶意节点，突破异步一致性算法的性能挑战。

目前，在全球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，事务吞吐量接近18000事务/秒，是“蜜獾算法”的9倍多。

张振峰还表示，联合团队完成的“小飞象算法”的创造性突破，不仅解决了异步一致性算法设计的理论问题，而且大大提高了性能，全面超越了目前业界采用的“蜜獾算法”，从而成为世界上第一个完全实用的异步一致性算法。这一研究成果可以为我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。