拜占庭容错系统简介

拜占庭容错系统简介

原始的拜占庭容错系统由于需要展示理论上的可行性而缺乏实用性。另外，算法的复杂度也是随节点的增加而呈指数级增加。实用拜占庭容错系统（Practical Byzantine Fault Tolerance, 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，使拜占庭协议在分布式系统中应用成为可能。

什么是实用拜占庭容错系统

实用拜占庭容错系统是一类“状态机”拜占庭系统（这里的状态机可以理解为“系统状态”，以区块链记账为例，系统每新增一个区块，账本就更新到一个新的状态。前面讲过，拜占庭容错系统是一个强一致性协议，每次记账后系统都会达成新的状态。），要求系统所有节点共同维护一个状态，所有节点采取的行动一致。

实用拜占庭容错系统需要运行三类基本协议：

• 一致性协议：解决如何达成共识
• 检查点协议：类似于操作系统的还原点
• 视图更换协议：系统的每个服务器节点在同样的配置信息下工作，该配置信息被称为“视图”。配置信息由主节点确定，主节点更换，视图也随之变化。

我们主要关注支持系统日常运行的一致性协议。

PBFT 的 一致性协议

一致性协议至少包含请求（request）、序号分配（pre-prepare）、响应（reply）三个阶段。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。

PBFT系统通常假设故障节点个数为m个，而整个服务节点数为3m+1个。

上图显示了一个简化的 PBFT 的协议通信模式，其中C为客户端，N0~N3为服务节点，N0为主节点，N3为故障节点。协议的节本过程如下：

1. Request：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

   • Pre-Prepare：主节点给请求赋值一个序列号n，广播序号分配消息和请求消息，并构造PRE-PREPARE消息给各从节点
   • Prepare：从节点接收PRE-PREPARE消息，并向其他服务节点广播PREPARE消息
   • Commit：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. Reply：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

PBFT 演示

在 n ≥ 3m + 1 的情況下一致性是可能解決的，其中，n为总节点数，m为恶意节点总数。我们模拟一下PBFT：

n = 4, m = 0

节点	得到数据	最终结果
A	1111	1
B	1111	1
C	1111	1
D	1111	1

n = 4, m = 1

节点	得到数据	最终结果
A	1110	1
B	1101	1
C	1011	1
D	0111	1

n = 4，m = 2

节点	得到数据	最终结果
A	1100	NA
B	1001	NA
C	0011	NA
D	0110	NA

由此可以看出，实用拜占庭容错系统能够容纳将近1/3的拜占庭节点。

实用拜占庭容错系统在很多场景都有应用，在区块链应用中，一般适合于对强一致性有要求的私有链和联盟链场景。例如，在IBM主导的区块链超级账本项目中，实用拜占庭容错系统是一个可选的共识协议。