拜占庭容錯系統簡介

拜占庭容錯系統簡介

原始的拜占庭容錯系統由於需要展示理論上的可行性而缺乏實用性。另外，演算法的複雜度也是隨節點的增加而呈指數級增加。實用拜占庭容錯系統（Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT）降低了拜占庭協議的運行複雜度，從指數層級降低到多項式層級，使拜占庭協議在分布式系統中應用成為可能。

什麼是實用拜占庭容錯系統

實用拜占庭容錯系統是一類“狀態機器”拜占庭系統（這裡的狀態機器可以理解為“系統狀態”，以區塊鏈記賬為例，系統每新增一個區塊，賬本就更新到一個新的狀態。前面講過，拜占庭容錯系統是一個強一致性協議，每次記賬後系統都會達成新的狀態。），要求系統所有節點共同維護一個狀態，所有節點採取的行動一致。

實用拜占庭容錯系統需要運行三類基本協議：

• 一致性協議：解決如何達成共識
• 檢查點協議：類似於作業系統的還原點
• 視圖更換協議：系統的每個伺服器節點在同樣的配置資訊下工作，該配置資訊被稱為“視圖”。配置資訊由主節點確定，主節點更換，視圖也隨之變化。

我們主要關注支援系統日常啟動並執行一致性協議。

PBFT 的 一致性協議

一致性協議至少包含請求（request）、序號分配（pre-prepare）、響應（reply）三個階段。根據協議設計的不同，可能包含相互互動(prepare) 、序號確認(commit)等階段。

PBFT系統通常假設故障節點個數為m個，而整個服務節點數為3m+1個。

顯示了一個簡化的 PBFT 的協議通訊模式，其中C為用戶端，N0~N3為服務節點，N0為主節點，N3為故障節點。協議的節本過程如下：

1. Request：用戶端發送請求，啟用主節點的服務作業

2. 當主節點接收請求後，啟動三階段的協議以向各從節點廣播請求

   • Pre-Prepare：主節點給請求賦值一個序號n，廣播序號分配訊息和請求訊息，並構造PRE-PREPARE訊息給各從節點
   • Prepare：從節點接收PRE-PREPARE訊息，並向其他服務節點廣播PREPARE訊息
   • Commit：各節點對視圖內的請求和次序進行驗證後，廣播COMMIT訊息，執行收到的用戶端的請求並給用戶端以響應
3. Reply：用戶端等待來自不同節點的響應，若有m+1個響應相同，則該響應即為運算的結果

PBFT 示範

在 n ≥ 3m + 1 的情況下一致性是可能解決的，其中，n為總節點數，m為惡意節點總數。我們類比一下PBFT：

n = 4, m = 0

節點	得到資料	最終結果
A	1111	1
B	1111	1
C	1111	1
D	1111	1

n = 4, m = 1

節點	得到資料	最終結果
A	1110	1
B	1101	1
C	1011	1
D	0111	1

n = 4，m = 2

節點	得到資料	最終結果
A	1100	NA
B	1001	NA
C	0011	NA
D	0110	NA

由此可以看出，實用拜占庭容錯系統能夠容納將近1/3的拜占庭節點。

實用拜占庭容錯系統在很多情境都有應用，在區塊鏈應用中，一般適合於對強一致性有要求的私人鏈和聯盟鏈情境。例如，在IBM主導的區塊鏈超級賬本項目中，實用拜占庭容錯系統是一個可選的共識協議。