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004 - 实用拜占庭容错系统

作者:黎跃春

博客:http://liyuechun.org

官网:http://kongyixueyuan.com

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。

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