PBFT实用拜占庭容错算法深入详解

PBFT即实用拜占庭容错算法，由Miguel Castro和Barbara Liskov在1999年提出，可以在作恶节点少于三分之一的情况下，保证系统的正确性（避免分叉）。与原始的BFT算法相比，算法复杂度从指数级降低到了多项式级，从而使得BFT算法的实际应用成为可能。实际上，Tenermint就是PBFT的一个简化版本的实现。

基本概念

首先了解一下几个基本概念：（从区块链的视角）

• replica：即区块链节点，提供“副本复制”服务
• client：向primary发起请求的客户端节点，在区块链中往往跟primary合二为一
• primary：区块发起者，在收到请求后生成新区块并广播
• backup：区块验证者，在收到区块后进行验证，然后广播验证结果进行共识
• view：一个primary和多个backup形成一个view，在该view上对某个区块进行共识
• sequence number(n)：由primary指定的一个数字，可以理解为区块高度
• checkpoint：如果某个sequence number对应的区块收到了超过2/3的确认，则称为一个checkpoint

另外，primary是所有节点轮流做的，每个view上都会选出一个新的primary。

三阶段协议

三阶段协议是PBFT的核心，参见下图：

从发起请求到最终收到reply，中间的共识过程需要经过3个阶段：

• pre-prepare：primary收到请求，生成新区块并广播
• prepare：所有replica收到区块后，广播区块验证结果，同时等待接收超过2/3的节点的广播
• commit：收到2/3的节点广播或者超时后，再次发送广播，同时再次等待接收超过2/3的节点的广播

这里的逻辑有点绕：
第一次等待超过2/3的节点广播，是为了确认“已经有超过2/3的节点收到区块了”。但是这只是你自己知道，别人并不知道啊，因此需要再发送一次广播，告诉别的节点“我已经确认有超过2/3的节点收到区块啦”。而第二次等待超过2/3的节点广播，则是为了确认“已经有超过2/3的节点确认(有超过2/3的节点收到区块啦)”，此时说明已经达成共识，可以把该区块写到链上了。

PBFT状态机

这个原文是没有图的，只能根据文字描述自行理解，还是挺复杂的：

图中的圆角矩形表示状态，六边形表示等待阶段，绿线代表正常流程，红线代表异常流程。下面一个一个的来介绍：

• wait request
  • 即等待请求状态，所有节点初始均处于该状态
  • primary收到REQUEST消息后，会转换到pre-prepare状态
  • backup收到区块后，会转换到prepare状态
• pre-prepare
  • 这个状态是primary专属的，primary生成区块并广播PRE-PREPARE消息后，转换到prepare状态
• prepare
  • 进入该状态后，广播PREPARE消息，并等待2f+1个节点确认
• wait for 2f+1 prepare
  • 如果等到了2f+1个节点确认（accept或reject），转换到commit状态
  • 如果超时，转换到view change状态
• commit
  • 进入该状态后，广播COMMIT消息，并等待2f+1个节点确认
• wait for 2f+1 commit
  • 如果等到了2f+1个节点确认（accept或reject），发送REPLY消息，转换回wait request状态
  • 如果超时，转换到view change状态
• view change
  • 进入该状态后，广播v+1的VIEW-CHNAGE消息，等待接收2f个节点的VIEW-CHANGE消息
• wait for 2f view change
  • 这个状态比较复杂，可以分为以下4种情形：
    • 收到了2f个节点的VIEW-CHANGE消息，并且是新的primary，广播NEW-VIEW消息，并转换到pre-prepare状态
    • 收到了2f个节点的VIEW-CHANGE消息，并且是backup，转换到wait request状态
    • 接收超时，重新回到view change状态，广播v+2的VIEW-CHANGE消息
    • 在收到2f个节点的VIEW-CHANGE消息之前，收到了NEW-VIEW消息，则转换到prepare状态

需要注意的是，如果接收到了NEW-VIEW消息，则表示当前view未达成共识，需要在更高层的view上完成共识。因此，不管当前处于哪个阶段，都需要重新回到prepare状态。

数据结构

接下来就是介绍一下相关的数据结构了，主要是状态和消息。

State

节点的状态主要包含三部分：

• 世界状态（即最新区块信息）
• 消息日志
• 当前view

Three Phase Protocol

这里列出了三阶段协议相关的消息结构，其中PRE-PREPARE消息包含新生成的区块，其他消息则主要包含一些id、sequence number、区块内容摘要和签名等信息。

VIEW-CHANGE

VIEW-CHANGE消息包含的内容比较多：
首先需要基于一个稳定的checkpoint，因此需要包含2f+1个CHECKPOINT消息以证明该checkpoint是有效的。
然后，在该checkpoint之上的所有sequence number，都需要打包对应的PRE-PREPARE消息以及2f个PREPARE消息。

NEW-VIEW

NEW-VIEW消息首先需要包含2f+1个VIEW-CHANGE消息，以证明确实有超过2/3的节点同意在更高的view上进行新一轮共识。
然后，根据收到的所有VIEW-CHANGE消息中的checkpoint信息，找出最小值min_s和最大值max_s，打包该区间内的每一个sequence number对应的PRE-PREPARE消息。
特别的，为了减少重复验证，如果在某个sequence number上从未进行过view change（即第一轮就达成了共识），则PRE-PREPARE中包含一个特殊的null请求的摘要信息。

具体逻辑参见下图：

如果想要了解更多的算法细节，可以阅读论文原文：
http://pmg.csail.mit.edu/papers/osdi99.pdf

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