PBFT

摘要:

PBFT是Practical Byzantine Fault Tolerance的缩写,即:实用拜占庭容错算法。该算法是Miguel Castro(卡斯特罗)和Barbara Liskov(利斯科夫)在1999年提出来的,解决了原始拜占庭容错算法效率不高的问题,算法的时间复杂度是O(n^2),使得在实际系统应用中可以解决拜占庭容错问题。该论文发表在1999年的操作系统设计与实现国际会议上(OSDI99)。其中Barbara Liskov就是提出了著名的里氏替换原则(LSP)的人,2008年图灵奖得主。以下拜占庭容错问题简称BFT。

BFT是区块链共识算法中,需要解决的一个核心问题,以比特币和以太访为代表的POW,EOS为代表的DPOS,以及今后以太访逐渐替换的共识算法POS,这些都是公链算法,解决的是共识节点众多情况下的BFT。而PBFT是在联盟链共识节点较少的情况下BFT的一种解决方案。

网上已经有很多关于PBFT算法的描述,但是写的都不是很明白,本文以一种更为清晰易懂的方法,彻底讲明白PBFT算法原理。下一篇文章将会结合fabric-0.6.0-preview 中的代码,讲解超级账本项目是如何实现PBFT算法的。

本文假设读者已经理解什么是BFT问题。

PBFT算法流程:

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,该部分的原理证明请参考PBFT论文,下文有链接地址。

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算法主体实现流程图如下:


PBFT

以下详细说明,每个主体流程内容:

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。

2. PRE-PREPARE:

主节点收到客户端的请求,需要进行以下交验:

a. 客户端请求消息签名是否正确。

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],具体原因参见垃圾回收章节。

3. PREPARE:

副本节点i收到主节点的PRE-PREPARE消息,需要进行以下交验:

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。

4. COMMIT:

主节点和副本节点收到PREPARE消息,需要进行以下交验:

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-PPREPARE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。

5. REPLY:

主节点和副本节点收到COMMIT消息,需要进行以下交验:

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。

垃圾回收:

在上述算法流程中,为了确保在View Change的过程中,能够恢复先前的请求,每一个副本节点都记录一些消息到本地的log中,当执行请求后副本节点需要把之前该请求的记录消息清除掉。最简单的做法是在Reply消息后,再执行一次当前状态的共识同步,这样做的成本比较高,因此可以在执行完多条请求K(例如:100条)后执行一次状态同步。这个状态同步消息就是CheckPoint消息。

副本节点i发送给其他节点,n是当前节点所保留的最后一个视图请求编号,d是对当前状态的一个摘要,该CheckPoint消息记录到log中。如果副本节点i收到了2f+1个验证过的CheckPoint消息,则清除先前日志中的消息,并以n作为当前一个stable checkpoint。

这是理想情况,实际上当副本节点i向其他节点发出CheckPoint消息后,其他节点还没有完成K条请求,所以不会立即对i的请求作出响应,它还会按照自己的节奏,向前行进,但此时发出的CheckPoint并未形成stable,为了防止i的处理请求过快,设置一个上文提到的高低水位区间[h, H]来解决这个问题。低水位h等于上一个stable checkpoint的编号,高水位H = h + L,其中L是我们指定的数值,等于checkpoint周期处理请求数K的整数倍,可以设置为L = 2K。当副本节点i处理请求超过高水位H时,此时就会停止脚步,等待stable checkpoint发生变化,再继续前进。

View Change:

如果主节点作恶,它可能会给不同的请求编上相同的序号,或者不去分配序号,或者让相邻的序号不连续。备份节点应当有职责来主动检查这些序号的合法性。如果主节点掉线或者作恶不广播客户端的请求,客户端设置超时机制,超时的话,向所有副本节点广播请求消息。副本节点检测出主节点作恶或者下线,发起View Change协议。

副本节点向其他节点广播C, P, i>消息。n是最新的stable checkpoint的编号,C2f+1验证过的CheckPoint消息集合,P是当前副本节点未完成的请求的PRE-PREPARE和PREPARE消息集合。

当主节点p = v + 1 mod |R|收到2f个有效的VIEW-CHANGE消息后,向其他节点广播V, O>消息。V是有效的VIEW-CHANGE消息集合。O是主节点重新发起的未经完成的PRE-PREPARE消息集合。PRE-PREPARE消息集合的选取规则:

1. 选取V中最小的stable checkpoint编号min-s,选取V中prepare消息的最大编号max-s。

2. 在min-s和max-s之间,如果存在P消息集合,则创建<, m>消息。否则创建一个空的PRE-PREPARE消息,即:<, m(null)>, m(null)空消息,d(null)空消息摘要。

副本节点收到主节点的NEW-VIEW消息,验证有效性,有效的话,进入v+1状态,并且开始O中的PRE-PREPARE消息处理流程。

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。PBFT主要用于联盟链,但是如果能够结合类似DPOS这样的节点代表选举规则的话也可以应用于公联,并且可以在一个不可信的网络里解决拜占庭容错问题,TPS应该是远大于POW的。

参考:

拜占庭容错(Byzantine Fault Tolerance) WIKI: BFT - Wikipedia

PBFT论文地址:http://pmg.csail.mit.edu/papers/osdi99.pdf

作者:ether029
链接:https://www.jianshu.com/p/78e2b3d3af62

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