原创

比特币区块链技术入门——PBFT共识机制

PBFT即实用拜占庭容错系统,英文全称Practical Byzantine Fault Tolerance。它是第一个基于BFT理论并结合实际产生的新的共识算法。但应用场景是私有链和联盟链,如果用于公链,需要和其他共识算法进行灵活的混用。
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PBFT算法原理

PBFT是一类状态机拜占庭系统,要求共同维护一个状态,所有节点采用的行动一致。为此,需要运行三类基本协议,包括一致性协议(Agreement)、验证确认协议(Validity)和视图更换协议(Viewchange)。

1.一致性协议:

在PBFT系统中,节点分为两类:主节点(Lead)和从节点(Follow)。主节点就一个,其他剩余节点都是从节点。在实现PBFT系统功能之前,所有节点都是从节点,经过选举,产生一个主节点。每个节点都有被选举权和选举权,选举过程每个节点的概率都是平等的。

一致性协议包含若干个阶段:请求(Request);序列分配(Pre-prepare);相互交互(Prepare);确认(Commit);响应(Reply)。过程如下图:

一致性协议的若干个阶段

注:C为客户端或叫请求节点;0为当前视图下的主节点;1,2,3是从节点,其中3为宕机节点。

该视图满足拜占庭容错,即系统节点总数4>故障节点个数1x3

1)Request阶段

也就是Lead生成请求阶段。

客户端发送请求到主节点,或者主节点主动从某数据源获取数据作为请求

2)Pre-prepare阶段

也就是Lead给其他所有Follow发送请求阶段。

主节点将收到的请求进行处理,给请求赋值一个序列号n,形成一个带序号的副本,然后分发给其从节点。其中序号n必须在水线(watermark)上下限h和H之间。水线存在的意义在于防止一个失效节点使用一个很大的序号消耗序号空间。发送副本的格式是<,m>,这里v是视图编号,m是客户端发送的请求消息,d是请求消息m的摘要,n是序号。

3)Prepare阶段

也就是Follow收到请求,但不知道其他节点请求是什么,就给收到的请求签名发给其他所有节点,告诉他们我收到了这样一个请求。

从节点接收到副本后,对副本进行校验和确认。检查副本中请求是否签名合法;检查d与m的摘要是否一致;检查当前视图编号是是否与副本v一致。满足这些条件后,从节点将副本存入消息日志中,然后对副本进行签名并转发给其他的所有节点(包括主节点)。如果不满足,则该验证节点就会进入View change阶段。

4)Commit阶段

也就是每个节点收到其他所有节点的签名请求,把这个合法请求跟自己之前保存的请求进行比较,如果超过有2f个请求一样,那么这个请求他会认为是大家共识的请求。然后对这个请求进行处理。

当前阶段所有节点,包括主节点,对接收到的签名副本进行签名验证和确认。签名验证通过后的副本与自己保存的副本进行比较,设和自己一样的副本个数记为s,满足s+1>=2f,故障节点的个数为f,则该节点将会对这个请求进行响应,给予运算结果,并做签名。

5)Reply阶段

也就是将处理结果发送给客户端,客户端收到f+1个一样结果,那么客户端会认为该结果正确。

每个收到请求的节点都会对请求进行响应处理,将结果广播给客户端。当客户端接收到f+1的响应相同时,则会认为该响应就是请求的结果。

2.验证确认协议:

在一致性协议使用时都用到了这个协议。在PBFT系统中,时刻保证数据的准确性,要进行数据校验和签名确认。对Lead的任何行为要进行监视,如果Lead有做越权或错误的事件,其他节点可以对其进行举报。

3.视图更换协议:

此阶段主要是用户在设计PBFT系统时,对Lead节点权限的设定。比如定时多长时间,正常更换Lead,其他Follow节点都有机会成为新的Lead。在Lead任期时期,如果超过2/3的节点反映它有问题,那么也会触发view change。还有Lead在运行中突然挂掉,也会触发view change。我们需要确保在新的view中如何来延续上一个view最终的状态,比如给这时来的新请求的编号,还有如何处理上一个view还没来得及完全处理好的请求。

PBFT算法在公链中的应用

PBFT机制不需要挖矿,也不需要权益计算,所以通过它达成共识的时间会很快,为了提高公链的tps,将PBFT灵活改进并引入公链,和pow算法或pos相结合形成一套新的混合机制,非常明智。目前这样应用的公链比较多,我下边主要讲解初链(TrueChain)是怎么实现的。

初链使用双链结构,即快链和慢链。运用PBFT和POW混合共识算法,前者生成快链,后者生成慢链。交易确认和挖矿是分开的。交易被打包后,通过PBFT委员会确认,生成fastBlock,此时交易已经得到确认;慢链将快链里的fastBlock打包成为一个snailBlock,经过矿工挖矿确认,实现上链。通过这种混合共识算法,tps得到很大的提升,达到3000左右,而且使用POW挖矿,实现了去中心化的思想。PBFT委员会每两天换届一次,候选委员都是POW挖矿成功后的矿工,保证了公平公正的原则。

虽然PBFT算法的设计初期是服务于私有链和公有链的,但是随着人们对它的不断改进和灵活使用,未来公链它将在共识机制中处于重要地位。

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