FISCO BCOS的PBFT共识算法流程详解

原文: https://fisco-bcos-doc.readthedocs.io/zh_CN/latest/docs/design/consensus/pbft.html

PBFT模块主要包括PrepareReqSignReqCommitReqViewChangeReq四种共识消息:

  • PrepareReqPacket: 包含区块的请求包,由leader产生并向所有Replica节点广播,Replica节点收到Prepare包后,验证PrepareReq签名、执行区块并缓存区块执行结果,达到防止拜占庭节点作恶、保证区块执行结果的最终确定性的目的;

  • SignReqPacket: 带有区块执行结果的签名请求,由收到Prepare包并执行完区块的共识节点产生,SignReq请求带有执行后区块的hash以及该hash的签名,分别记为SignReq.block_hash和SignReq.sig,节点将SignReq广播到所有其他共识节点后,其他节点对SignReq(即区块执行结果)进行共识;

  • CommitReqPacket: 用于确认区块执行结果的提交请求,由收集满(2f+1)个block_hash相同且来自不同节点SignReq请求的节点产生,CommitReq被广播给所有其他共识节点,其他节点收集满(2f+1)个block_hash相同、来自不同节点的CommitReq后,将本地节点缓存的最新区块上链;

  • ViewChangeReqPacket: 视图切换请求,当leader无法提供正常服务(如网络连接不正常、服务器宕机等)时, 其他共识节点会主动触发视图切换,ViewChangeReq中带有该节点即将切换到的视图(记为toView,为当前视图加一),某节点收集满(2*f+1)个视图等于toView、来自不同节点的ViewChangeReq后,会将当前视图切换为toView。

视图切换(viewchange):

FISCO BCOS的PBFT共识算法流程详解_第1张图片

系统架构:

FISCO BCOS的PBFT共识算法流程详解_第2张图片

三阶段共识:

FISCO BCOS的PBFT共识算法流程详解_第3张图片

PBFT各个阶段的具体流程:
FISCO BCOS的PBFT共识算法流程详解_第4张图片

pre-prepare阶段

共识节点收到Prepare包后,进入pre-prepare阶段,此阶段的主要工作流程包括:

  • Prepare包合法性判断:主要判断是否是重复的Prepare包、Prepare请求中包含的区块父哈希是否是当前节点最高块哈希(防止分叉)、Prepare请求中包含区块的块高是否等于最高块高加一;

  • 缓存合法的Prepare包: 若Prepare请求合法,则将其缓存到本地,用于过滤重复的Prepare请求;

  • 空块判断:若Prepare请求包含的区块中交易数目是0,则触发空块视图切换,将当前视图加一,并向所有其他节点广播视图切换请求;

  • 执行区块并缓存区块执行结果: 若Prepare请求包含的区块中交易数目大于0,则调用BlockVerifier区块执行器执行区块,并缓存执行后的区块;

  • 产生并广播签名包:基于执行后的区块哈希,产生并广播签名包,表明本节点已经完成区块执行和验证。

Prepare阶段

共识节点收到签名包后,进入Prepare阶段,此阶段的主要工作流程包括:

  • 签名包合法性判断:主要判断签名包的哈希与pre-prepare阶段缓存的执行后的区块哈希相同,若不相同,则继续判断该请求是否属于未来块签名请求(产生未来块的原因是本节点处理性能低于其他节点,还在进行上一轮共识,判断未来块的条件是:签名包的height字段大于本地最高块高加一),若请求也非未来块,则是非法的签名请求,节点直接拒绝该签名请求;

  • 缓存合法的签名包:节点会缓存合法的签名包;

  • 判断pre-prepare阶段缓存的区块对应的签名包缓存是否达到2f+1,若收集满签名包,广播Commit包:若pre-prepare阶段缓存的区块哈希对应的签名包数目超过2f+1,则说明大多数节点均执行了该区块,并且执行结果一致,说明本节点已经达到可以提交区块的状态,开始广播Commit包;

  • 若收集满签名包,备份pre-prepare阶段缓存的Prepare包落盘:为了防止Commit阶段区块未提交到数据库之前超过2*f+1个节点宕机,这些节点启动后重新出块,导致区块链分叉(剩余的节点最新区块与这些节点最高区块不同),还需要备份pre-prepare阶段缓存的Prepare包到数据库,节点重启后,优先处理备份的Prepare包。

Commit阶段

共识节点收到Commit包后,进入Commit阶段,此阶段工作流程包括:

  • Commit包合法性判断:主要判断Commit包的哈希与pre-prepare阶段缓存的执行后的区块哈希相同,若不相同,则继续判断该请求是否属于未来块Commit请求(产生未来块的原因是本节点处理性能低于其他节点,还在进行上一轮共识,判断未来块的条件是:Commit的height字段大于本地最高块高加一),若请求也非未来块,则是非法的Commit请求,节点直接拒绝该请求;

  • 缓存合法的Commit包:节点缓存合法的Commit包;

  • 判断pre-prepare阶段缓存的区块对应的Commit包缓存是否达到2f+1,若收集满Commit包,则将新区块落盘:若pre-prepare阶段缓存的区块哈希对应的Commit请求数目超过2f+1,则说明大多数节点达到了可提交该区块状态,且执行结果一致,则调用BlockChain模块将pre-prepare阶段缓存的区块写入数据库;


视图切换处理流程

当PBFT三阶段共识超时或节点收到空块时,PBFTEngine会试图切换到更高的视图(将要切换到的视图toView加一),并触发ViewChange处理流程;节点收到ViewChange包时,也会触发ViewChange处理流程:

  • 判断ViewChange包是否有效: 有效的ViewChange请求中带有的块高值必须不小于当前节点最高块高,视图必须大于当前节点视图;

  • 缓存有效ViewChange包: 防止相同的ViewChange请求被处理多次,也作为判断节点是否可以切换视图的统计依据;

  • 收集ViewChange包:若收到的ViewChange包中附带的view等于本节点的即将切换到的视图toView且本节点收集满2*f+1来自不同节点view等于toView的ViewChange包,则说明超过三分之二的节点要切换到toView视图,切换当前视图到toView。


几个问题

  • prepare阶段和commit阶段,需要收集超过2f+1个消息, 是否包含本身的消息? 例如4个节点,有1个节点是拜占庭,那么最多只能收集3个消息(包含节点本身的1条)

  • pre-prepare阶段为什么需要判断空块? 不能有空块?

  • 收到“未来块”会如何处理?

  • 关于消息转发流程优化,如何在起始阶段判断需要转发的节点数量?

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