TCS: 拜占庭将军问题 (The Byzantine Generals Problem)

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这个问题在 Yao 的理论计算机课上整整讨论了 2 节课。它是一个算法设计问题,也极具趣味性。下面是它的一些介绍和解决方案([1])。

拜占庭帝国就是 5~15 世纪的东罗马帝国,拜占庭即现在土耳其的伊斯坦布尔。我们可以想象,拜占庭军队有许多分支,驻扎在敌人城外,每一分支由各自的将军指挥。将军们只能靠通讯员进行通讯。在观察了敌人以后,忠诚的将军们必须制订一个统一的行动计划——进攻或者撤退。然而,这些将军中有叛徒,他们不希望忠诚的将军们能达成一致,因而影响统一行动计划的制订与传播。问题是:将军们必须有一个协议,使所有忠诚的将军们能够达成一致,而且少数几个叛徒不能使忠诚的将军们做出错误的计划——使有些将军进攻而另一些将军撤退了。

抽象出来,可以表述成:

拜占庭将军问题:设计一个协议,一个司令要送一个命令给他的 n-1 个副官,使得
IC1. 所有忠诚的副官遵守同一个命令。
IC2. 假如司令是忠诚的,则每一个忠诚的副官遵守他送出的该命令。

约定:忠诚的将军将遵守协议,而叛徒则可能破坏协议,尽可能的干绕其它人的判断。叛徒是匿名的。而且最后不需要确定谁是叛徒。

注意司令也有可能是叛徒,所以 IC2 与 IC1 是不同的。

递归设计协议 OM(n, m)为

OM(n, 0):

  1. 司令发送命令给所有副官。
  2. 副官按照接收到的命令行事。

OM(n, m):

  1. 司令发送命令给所有副官,设副官 i 收到命令 vi。
  2. 分为独立的 n-1 轮:对每个副官 i ,将其视为司令,使用协议 A(n-1, m-1)将 vi 发送到所有其它副官。
  3. 这样每个副官都收到 n-1 条信息,每个副官都按照出现次数更多的命令行事(如果进攻和撤退的命令一样多,则默认取撤退)。

递归证明

引理:当 n>2m+k , n 个将军中至多 k 个叛徒,协议 A(n, m)满足 IC2 ,即司令是忠诚的,每个忠诚的副官将会执行司令的命令。

进而说明:

当 n>3m 时, n 个将军,且至多 m 个叛徒,协议 A(n, m)可以同时满足 IC1 和 IC2。

更深刻的结论:

当 n<=3m 时, n 个将军中的 m 个叛徒可以让将军们无法达成一致,也就是满足 IC1 和 IC2 的协议不可能存在。

参考:

  1. The Byzantine Generals Problem, the first paper involved
  2. 可信计算 VII:拜占庭将军问题
  3. Byzantine failure - Wikipedia, the free encyclopedia

PS: 标题里 TCS 是Theoretical Computer Science(理论计算机科学)的缩写,这篇文章同属于理论计算机介绍系列文章,算作理论计算机初步系列文章的补充吧。

Q. E. D.

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理论计算机(I)课上讲的一个问题,很有意思。
密码学是理论计算机的一个很大的方向。之前准备先写密码学概论再提在 hash 函数破解上做出重大贡献的王小云教授的工作,不过前两天新闻报道《王小云获得求是杰出科学家奖以及 100 万奖金》,在媒体上又掀起了一轮宣传狂潮,但是有些报道极端弱智,错误百出,所以我趁机纠正一下,并介绍密码学的一个组成部分——hash 函数,以及王小云老师在这上面的工作。