2025年104协议详解合集（104协议总召）

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区块链在工业智能化过程中扮演着重要角色，为数据跨域流动与多方共享提供基础，实现企业间可信协作、资源优化配置与全过程监测。然而，区块链技术仍处于初级阶段，面临可扩展性差、信息孤岛、跨链技术不成熟和抗攻击能力弱等问题。随着区块链技术的迅速发展，其安全性和性能受到广泛关注。传统共识机制在面对恶意节点时常显得脆弱，而量子科技为提升区块链共识机制的安全性提供了新的解决方案。本文探讨了量子技术如何赋能区块链，并根据是否存在诚实独立的量子源设备，提出了两种高成功率的数字列表分发方法，进而发展出一种新的量子检测拜占庭协议。通过4个节点的共识示例，验证了该协议的有效性，并分析了其在应对多比特数据共识和抵御恶意节点攻击方面的优势。这项研究为提升区块链安全性开辟了新的路径，推动了其在工业智能化中的应用。

INFO

标题：基于数字列表分发的量子检测拜占庭协议设计与分析

作者：颜世露，张俊勃，齐洪胜，崔巍

机构：1.华南理工大学自动化科学与工程学院；2.华南理工大学 电力学院；3.琶洲实验室；4.中国科学院数学与系统科学研究院系统控制重点实验室；5.中国科学院大学数学学院

引用格式：颜世露, 张俊勃, 齐洪胜, 等. 基于数字列表分发的量子检测拜占庭协议设计与分析. 控制理论与应用,

2024, 41(8): 1314 – 1324

Citation:  YAN Shilu，ZHANG Junbo，QI Hongsheng, et al. Design and analysis of quantum detectable Byzantine  protocol based on numerical list distribution. Control Theory & Applications, 2024, 41(8): 1314–1324

DOI: 10.7641/CTA.2023.21004

摘要

量子科技有望赋能区块链技术，提升区块链共识机制的安全性能。根据是否存在诚实独立的量子源设备，本文提出了两种可用于多个节点的高成功率的数字列表分发方法，并进一步提出了一种新的基于数字列表分发的量子检测拜占庭协议。4个节点的共识示例验证了提出的协议符合检测拜占庭协议的条件。最后通过分析和比较说明了提出的协议具有较好的实用性和安全性。与其他协议相比, 本文提出的共识协议不仅能用于解决包含多个节点的区块链系统对多比特数据进行共识的问题, 并能在共识过程中应对任意多恶意节点的攻击, 提高了区块链系统的安全性。

前言

区块链是通过共识协议保证节点间账本数据一致、通过密码学保证交易数据不可篡改与发送安全的点对点(集体维护、去中心化)的分布式数据库系统与中心化系统相比，去中心化的区块链技术有着更高的可信透明度、容错性和抗攻击性，并被广泛应用到金融、医疗、能源、溯源等多个领域。区块链在发展过程中，面临的制约因素主要有交易处理性能限制、扩展性限制、易用性限制、跨链互联限制、存储限制、缺乏严格数学证明、缺乏形式化证明、区块同步限制、治理与监管限制、软件升级分叉限制等。共识算法的性能及效率是其中的重要难题。该难题和拜占庭将军问题本质上是一致的：在已知有将军是叛徒的情况下，其余诚实的将军如何达成一致行动。拜占庭将军问题的解可称作拜占庭协议，也就是设计满足以下2个条件的协议：1) 所有诚实的将军执行同一个计划; 2) 如果指挥官是诚实的，那么所有诚实的将军都遵守指挥官所制定的行动计划。

针对原始拜占庭将军问题，存在着拜占庭将军论断：将军们在口头同步通信(没有预设其他前提条件)的情况下，如果叛徒将军的数量大于或等于将军总数的1/3，则拜占庭将军问题无解。通过放松拜占庭协议的条件,有研究者提出一种原始拜占庭将军问题的变种问题——检测的拜占庭将军问题，并且给出相应的量子检测拜占庭协议，从而打破拜占庭将军论断的约束。检测的拜占庭协议是指：1)所有诚实的将军要么执行相同的计划，要么终止行动:2)如果指挥官是诚实的，那么每个诚实的将军要么执行指挥官所制定的计划，要么终止行动。

经过多年的发展，学者们已经提出了不少量子检测拜占庭协议。这些协议大都可看作是通过分发和应用数字列表来达成各位将军之间的一致行动的，其中分发数字列表的方法主要有：基于三体三维单重量子态、基于四量子比特单重量子态、基于四量子比特纠缠态、基于3个或者两个量子密钥分发信道、利用Hardy争论问题、引入一组半诚实的列表分发器等；而应用数字列表达成共识主要依靠各节点数字列表的互不可见性和数字之间的特定关联属性。虽然已经提出了许多量子检测拜占庭协议，但它们一般只考虑了最简单的3个节点的情形，并且共识内容为单个比特(1表示进攻,0表示撤退)。而实际的分布式网络和区块链系统通常需要在多个节点之间实现多比特数据共识。在研究中，一些学者探讨了多于3个节点的情况。其中，一部分研究指出，协议的前提是系统中的恶意节点数量必须少于所有节点的三分之一。另一项研究能够容纳任意多的恶意节点，但其数字列表方法是概率性的，并且每次分发数字的成功率不高，因此会造成量子通信资源的浪费。还有研究提出基于量子秘钥分发的没有涉及量子纠缠的协议，但实际上低维纠缠量子态往往更能提高量子秘钥分发的分发效率。最后，有研究的协议仅考虑了存在独立诚实量子源设备时的情景，去中心化程度有所降低。所以，目前仍然缺少在多节点区块链系统中实现对多比特数据共识的安全高效的协议研究。针对上述问题，结合已有的一些关于量子算法和区块链的研究工作，本文旨在研究可用于区块链系统的、能应对任意多恶意节点攻击的量子检测拜占庭协议。

本文结构如下：第2节介绍Gaertner等人提出的用于三方(3个节点)的量子检测拜占庭协议(GBKCW协议)，说明其如何通过分发和应用数字列表以使得3个节点达成对一个二进制数(0或1)的共识(本文中亦称三节点比**识)；第3节根据是否存在诚实独立的量子源设备(quantum source device,QSD)，提出两个不同的可用于多个节点的数字列表分发方法；第4节基于第3节提出的数字列表分发方法对第2节中的GBK-CW协议进行改进和拓展,提出一种新的量子检测拜占庭协议。4个节点的数据共识示例说明了协议的原理以及验证了提出的协议符合检测拜占庭协议的条件；第5节通过分析和比较，说明提出的协议具有实用性和安全性。与其他协议相比，提出的协议不仅能用于解决包含多个节点的区块链系统对多比特数据进行共识的问题，并能在共识过程中应对任意多恶意节点的攻击;第6节是本文小结。

算法1：基于量子纠缠态的数字列表分发方法

算法2：基于量子相位估计的数字列表分发方法

算法3：基于数字列表分发的量子检测拜占庭协议

结论

本文主要针对区块链系统共识过程存在的拜占庭容错问题开展了研究。根据是否存在诚实独立的OSD，本文首先提出两种能用于多个节点的高成功率的数字列表分发方法，进而提出一种新的基于数字列表分发的量子检测拜占庭协议。4个节点的数据共识示例验证了提出的协议符合检测拜占庭协议的条件。通过分析和比较，进一步说明提出的协议具备一定的实用性和安全性。与其他协议相比，提出的协议不仅能用于解决包含多个节点的区块链系统对多比特数据进行共识的问题，并能在共识过程中应对任意多恶意节点的攻击,提高了区块链系统的安全性。

作者

颜世露

硕士研究生, 目前研究方向为量子神经网络。

张俊勃

教授, 目前研究方向为电力系统及其自动化。

齐洪胜

副研究员, 目前研究方向为布尔网络控制、量子控制。

崔  巍

教授, 目前研究方向为单光子视觉、数据治理与区块链

安全。

期刊介绍

《控制理论与应用》(Control Theory & Applications)是经国家科学技术部批准，教育部主管，由华南理工大学和中国科学院数学与系统科学研究院联合主办的全国性一级学术刊物，1984年创刊，月刊，国内外公开发行。《控制理论与应用》是中国科学引文数据库首批统计源期刊之一，中文核心期刊，入选中国精品科技期刊顶尖学术论文F5000项目、中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录以及中国科协百篇优秀科技论文遴选计划。

收录：被美国《工程索引》（Ei Compendex）、美国的《化学文摘》(CA)、英国《科学文摘》(Inspec)、德国《数学文摘》、俄罗斯《文摘杂志》(AJ)、《日本科学技术振兴机构中国文献数据库》、SCOUPS、CSCD等国内外检索系统收录。

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