实用拜占庭容错算法

哈尔滨工程大学计算机学院2021年区块链技术课程

实用拜占庭容错算法

作者：段玉龙2018201112 、朱江2018201116、卢薪丞2017201116

背景提出——拜占庭将军问题

拜占庭将军问题是由Leslie Lanport提出的分布式对等网络通信融资问题，那么它具体是什么呢，我们来打个比方，如果你是一支拜占庭军队的将军，并且准备攻击一座敌方城市，在城市周围有几支有其他将军领导的军队，如果大家一起合作进攻，那么一定会大获全胜。但是如果大家各顾各，零散攻击，那么会导致进攻失败。这个时候作为将军的你，决定在傍晚攻击。在那个时期你并没有办法通过电话商量，也没有办法发送可能被敌方看到的信号弹，来联系所有的将军，让大家达成共识一起发动傍晚的攻击。所以您只能通过传令兵来传递信息。那么问题来了，如果传令兵在路途中被杀害怎么办，被敌方逮捕换成假信息怎么办，再者其他将军又如何判定你的传令兵递送的消息就是你的消息呢？更要命的是如果其中有叛军故意发送同意攻击的信息，但是实际进攻中不出兵又怎么办，这样各支军队的一致协同就遭到了破坏，所以你该怎么确保所有的军队会达成共识，并且同时出击呢？这个就是困扰了近千年的拜占庭将军问题，他问题的核心就是：单独个体如何可以不带任何条件地相信彼此。

由此引出拜占庭容错算法。

BFT拜占庭容错系统

拜占庭容错技术被设计用来处理异常行为（包括硬件错误、网络拥塞、以及恶意攻击），被设计用来处理这些异常行为。发生故障的节点是拜占庭节点，正常的节点为非拜占庭节点。

但是拜占庭容错算法（BFT）在实用中有很多不便之处， 早期提出的能解决拜占庭问题的算法（包括随拜占庭问题论文提出来的两种原生算法），要么仅仅停留在展示算法的理论可能性阶段，而实用性不高，要么就假设算法的使用环境为同步系统，而真实生产中的信息系统往往是异步的，例如互联网。由此衍生出了实用拜占庭容错算法（PBFT），它也是庭容错算法（BFT）下的一个分支。下面会详细讲解实用拜占庭容错算法（PBFT）。

实用拜占庭容错算法（PBFT）

PBFT算法前提，采用密码学算法保证节点之间的消息传送是不可篡改的。

PBFT容忍无效或者恶意节点数：f，为了保障整个系统可以正常运转，需要有2f+1个正常节点，系统的总节点数为：|R| = 3f + 1。也就是说，PBFT算法可以容忍小于1/3个无效或者恶意节点。
PBFT是一种状态机副本复制算法，所有的副本在一个视图（view）轮换的过程中操作，主节点通过视图编号以及节点数集合来确定，即：主节点 p = v mod |R|。v：视图编号，|R|节点个数，p：主节点编号。

PBFT算法每个客户端请求需要经过5个阶段，主要是①request——请求②pre-Prepare——序号分配③Prepare——交互④commit——序号确认⑤reply——响应

以下详细说明一下这五个阶段流程：

1. Request：

客户端c向主节点p发送请求。o: 请求的具体操作，t: 请求时客户端追加的时间戳，c：客户端标识。REQUEST: 包含消息内容m，以及消息摘要d(m)。客户端对请求进行签名。

 

1. Pre-Prepare:

主节点收到客户端的请求，需要进行校验客户端请求消息签名是否正确。校验的步骤如下

 

非法请求丢弃。正确请求，分配一个编号n，编号n主要用于对客户端的请求进行排序。然后广播一条<,  m>消息给其他副本节点。v：视图编号，d客户端消息摘要，m消息内容。进行主节点签名。n是要在某一个范围区间内的[h, H]。

 

1. Prepare：

副本节点i收到主节点的Pre-Prepare消息，需要进行以下校验：

 

a. 主节点Pre-Prepare消息签名是否正确。

b. 当前副本节点是否已经收到了一条在同一v下并且编号也是n，但是签名不同的Pre-Prepare信息。

c. d与m的摘要是否一致。

d. n是否在区间[h, H]内。

非法请求丢弃。正确请求，副本节点i向其他节点包括主节点发送一条消息, v, n, d, m与上述Pre-Prepare消息内容相同，i是当前副本节点编号。进行副本节点i的签名。记录Pre-Prepare和Prepare消息到log中，用于View Change过程中恢复未完成的请求操作。

 

1. Commit

主节点和副本节点收到Prepare消息，需要进行以下校验：

 

a. 副本节点Prepare消息签名是否正确。

b. 当前副本节点是否已经收到了同一视图v下的n。

c. n是否在区间[h, H]内。

d. d是否和当前已收到Pre-Prepare中的d相同

非法请求丢弃。如果副本节点i收到了2f+1个验证通过的Prepare消息，则向其他节点包括主节点发送一条消息，v, n, d,  i与上述Prepare消息内容相同。进行副本节点i的签名。记录Commit消息到日志中，用于View Change过程中恢复未完成的请求操作。记录其他副本节点发送的Prepare消息到log中。

 

1. Reply：

主节点和副本节点收到Commit消息，需要进行以下校验：

 

a. 副本节点Commit消息签名是否正确。

b. 当前副本节点是否已经收到了同一视图v下的n。

c. d与m的摘要是否一致。

d. n是否在区间[h, H]内。

非法请求丢弃。如果副本节点i收到了2f+1个验证通过的Commit消息，说明当前网络中的大部分节点已经达成共识，运行客户端的请求操作o，并返回给客户端，r：是请求操作结果，客户端如果收到f+1个相同的Reply消息，说明客户端发起的请求已经达成全网共识，否则客户端需要判断是否重新发送请求给主节点。记录其他副本节点发送的Commit消息到log中。

 

（流程示意参考图）

总结

PBFT算法由于每个副本节点都需要和其他节点进行P2P的共识同步，因此随着节点的增多，性能会下降的很快，但是在较少节点的情况下可以有不错的性能，并且分叉的几率很低，可以较好的解决拜占庭容错问题。

 

 

参考文献：https://blog.csdn.net/jfkidear/article/details/81275974