实用拜占庭容错系统介绍
由来
原始的拜占庭容错系统由于需要展示理论上的可行性而缺乏实用性。另外,算法的复杂度也是随节点的增加而呈指数级增加。实用拜占庭容错系统(Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT
)降低了拜占庭协议的运行复杂度,从指数级别降低到多项式级别
,使拜占庭协议在分布式系统中应用成为可能。
什么是实用拜占庭容错系统
实用拜占庭容错系统是一类“状态机”拜占庭系统(这里的状态机可以理解为“系统状态”,以区块链记账为例,系统每新增一个区块,账本就更新到一个新的状态。前面讲过,拜占庭容错系统是一个强一致性协议,每次记账后系统都会达成新的状态。),要求系统所有节点共同维护一个状态,所有节点采取的行动一致。
实用拜占庭容错系统需要运行三类基本协议:
- 一致性协议:解决如何达成共识
- 检查点协议:类似于操作系统的还原点
- 视图更换协议:系统的每个服务器节点在同样的配置信息下工作,该配置信息被称为“视图”。配置信息由主节点确定,主节点更换,视图也随之变化。
我们主要关注支持系统日常运行的一致性协议。
PBFT 的 一致性协议
一致性协议至少包含请求(request)、序号分配(pre-prepare)、响应(reply)三个阶段。根据协议设计的不同,可能包含相互交互(prepare) 、序号确认(commit)等阶段。
PBFT系统通常假设故障节点个数为m个,而整个服务节点数为3m+1个。
上图显示了一个简化的 PBFT 的协议通信模式,其中C为客户端,N0~N3为服务节点,N0为主节点,N3为故障节点。协议的节本过程如下:
- Request:客户端发送请求,激活主节点的服务操作
-
当主节点接收请求后,启动三阶段的协议以向各从节点广播请求
- Pre-Prepare:主节点给请求赋值一个序列号n,广播序号分配消息和请求消息,并构造PRE-PREPARE消息给各从节点
- Prepare:从节点接收PRE-PREPARE消息,并向其他服务节点广播PREPARE消息
- Commit:各节点对视图内的请求和次序进行验证后,广播COMMIT消息,执行收到的客户端的请求并给客户端以响应
- Reply:客户端等待来自不同节点的响应,若有m+1个响应相同,则该响应即为运算的结果
PBFT 演示
在 n ≥ 3m + 1 的情況下一致性是可能解決的,其中,n为总节点数,m为恶意节点总数。我们模拟一下PBFT:
n = 4, m = 0
节点 | 得到数据 | 最终结果 |
---|---|---|
A | 1111 | 1 |
B | 1111 | 1 |
C | 1111 | 1 |
D | 1111 | 1 |
n = 4, m = 1
节点 | 得到数据 | 最终结果 |
---|---|---|
A | 1110 | 1 |
B | 1101 | 1 |
C | 1011 | 1 |
D | 0111 | 1 |
n = 4,m = 2
节点 | 得到数据 | 最终结果 |
---|---|---|
A | 1100 | 1 |
B | 1001 | 1 |
C | 0011 | 1 |
D | 0110 | 1 |
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