实用拜占庭容错系统(PBFT)共识算法

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摘要

拜占庭容错问题简称BFT,实用拜占庭容错系统(PBFT)在区块链中的应用很普遍,简介PBFT算法步骤。

拜占庭容错问题简称BFT,BFT是区块链共识算法中需要解决的一个核心问题,以比特币和以太访为代表的POW,EOS为代表的DPOS,以及今后以太访逐渐替换的共识算法POS,这些都是公链算法,解决的是共识节点众多情况下的BFT。而PBFT是在联盟链共识节点较少的情况下BFT的一种解决方案。fabric-0.6.0版本就使用PBFT,但在1.0.0版本改为了Kafka。

实用拜占庭容错系统(PBFT)降低了拜占庭协议的运行复杂度,从指数级别降低到多项式级别(Polynomial),使拜占庭协议在分布式系统中应用成为可能。PBFT是一种状态机副本复制算法,即服务作为状态机进行建模,状态机在分布式系统的不同节点进行副本复制。每个状态机的副本都保存了服务的状态,同时也实现了服务的操作。将所有的副本组成的集合使用大写字母R表示,使用0到|R|-1的整数表示每一个副本。为了描述方便,通常假设故障节点数为m个,整个服务节点数为|R|=3m+1个,这里m是有可能失效的副本的最大个数。尽管可以存在多于3m+1个副本,但是额外的副本除了降低性能之外不能提高可靠性。

PBFT要求共同维护一个状态,所有节点采取的行动一致。为此,需要运行三类基本协议,包括一致性协议、检查点协议和视图更换协议。我们主要关注支持系统日常运行的一致性协议。一致性协议至少包含若干个阶段:请求(request)、序号分配(pre-prepare)和响应(reply)。根据协议设计的不同,可能包含相互交互(prepare),序号确认(commit)等阶段。

实用拜占庭容错系统(PBFT)共识算法

图PBFT协议通信模式

上图为PBFT协议通信模式,每一个客户端的请求需要经过5个阶段,通过采用两次两两交互的方式在服务器达成一致之后再执行客户端的请求。由于客户端不能从服务器端获得任何服务器运行状态的信息,PBFT中主节点是否发生错误只能由服务器监测。如果服务器在一段时间内都不能完成客户端的请求,则会触发视图更换协议。其中C为客户端,N0~N3表示服务节点,特别的,N0为主节点,N3为故障节点。整个协议的基本过程如下:

  1. 客户端发送请求,激活主节点的服务操作。
  2. 当主节点接收请求后,启动三阶段的协议以向各从节点广播请求。

(1) 序号分配阶段,主节点给请求赋值一个序列号n,广播序号分配消息和客户端的请求消息m,并将构造PRE-PREPARE消息给各从节点;

(2) 交互阶段,从节点接收PRE-PREPARE消息,向其他服务节点广播PREPARE消息;

(3) 序号确认阶段,各节点对视图内的请求和次序进行验证后,广播COMMIT消息,执行收到的客户端的请求并给客户端以响应。

3. 客户端等待来自不同节点的响应,若有m+1个响应相同,则该响应即为运算的结果。

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