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什么是拜占庭容錯(cuò)算法？PBFT、FBA和dBFT有什么區(qū)別？

2023-07-28 08:42:19 | 來源： | 作者：佚名
這篇文章主要介紹了什么是拜占庭容錯(cuò)算法？PBFT、FBA和dBFT有什么區(qū)別？的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下本文詳細(xì)內(nèi)容介紹

拜占庭容錯(cuò)算法是一種在分布式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)的算法，它是由拜占庭將軍問題衍生出來的。拜占庭將軍問題是一個(gè)經(jīng)典的分布式系統(tǒng)問題，它描述了一群分散在不同地點(diǎn)的將軍，需要通過信使來傳遞消息，從而達(dá)成一個(gè)共同的決策。然而，這些將軍中可能有一些是叛徒，他們會(huì)故意發(fā)送錯(cuò)誤或不一致的消息，以破壞其他忠誠將軍的一致性。因此，拜占庭容錯(cuò)算法的目標(biāo)是在一個(gè)存在故障或惡意節(jié)點(diǎn)的非信任環(huán)境中，保證系統(tǒng)中的大多數(shù)節(jié)點(diǎn)能夠達(dá)成一個(gè)正確的共識(shí)。

拜占庭容錯(cuò)算法有多種版本，每種版本都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)景。本文將介紹三種比較常見和重要的拜占庭容錯(cuò)算法：實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（PBFT），聯(lián)邦拜占庭協(xié)議（FBA）和授權(quán)拜占庭容錯(cuò)算法（dBFT）。

實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（PBFT）

實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（PBFT）是一種基于投票的拜占庭容錯(cuò)算法，它由Miguel Castro和Barbara Liskov在1999年提出，是第一個(gè)在實(shí)際系統(tǒng)中可行的拜占庭容錯(cuò)算法。PBFT可以在失效節(jié)點(diǎn)不超過總節(jié)點(diǎn)數(shù)1/3的情況下保證消息傳遞的正確可靠。PBFT主要用于私有鏈或許可鏈，因?yàn)樗枰A(yù)先確定參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)集合，也就是說，節(jié)點(diǎn)的身份是事先知道的。PBFT的優(yōu)點(diǎn)是高交易通量和吞吐量，但缺點(diǎn)是通信開銷大，擴(kuò)展性差。

PBFT是一種狀態(tài)機(jī)副本復(fù)制算法，即服務(wù)作為狀態(tài)機(jī)進(jìn)行建模，狀態(tài)機(jī)在分布式系統(tǒng)的不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行副本復(fù)制。每個(gè)狀態(tài)機(jī)的副本都保存了服務(wù)的狀態(tài)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了服務(wù)的操作。所有的副本在一個(gè)被稱為視圖的輪換過程中運(yùn)作。在某個(gè)視圖中，一個(gè)副本作為主節(jié)點(diǎn)（leader），其它的副本節(jié)點(diǎn)作為備份節(jié)點(diǎn)（backup）。主節(jié)點(diǎn)通過隨機(jī)算法選出，用來負(fù)責(zé)與提案的客戶端通信。

PBFT共識(shí)過程可以分為四個(gè)階段：預(yù)準(zhǔn)備（pre-prepare），準(zhǔn)備（prepare），提交（commit）和回復(fù)（reply）。具體流程如下：

  • 客戶端向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求消息。
  • 主節(jié)點(diǎn)給請(qǐng)求消息編號(hào)，并向所有副本節(jié)點(diǎn)廣播預(yù)準(zhǔn)備消息。
  • 每個(gè)副本節(jié)點(diǎn)收到預(yù)準(zhǔn)備消息后，檢查消息是否有效，并向所有副本節(jié)點(diǎn)廣播準(zhǔn)備消息。
  • 每個(gè)副本節(jié)點(diǎn)收到2f+1個(gè)有效的準(zhǔn)備消息后（包括自己發(fā)送的），進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，并向所有副本節(jié)點(diǎn)廣播提交消息。
  • 每個(gè)副本節(jié)點(diǎn)收到2f+1個(gè)有效的提交消息后（包括自己發(fā)送的），進(jìn)入提交狀態(tài)，并執(zhí)行請(qǐng)求操作，并向客戶端發(fā)送回復(fù)消息。
  • 客戶端收到f+1個(gè)相同的回復(fù)消息后，認(rèn)為請(qǐng)求已經(jīng)完成，并返回結(jié)果。

其中f表示最大可能存在的失效或惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)。通過這樣一個(gè)四階段過程，PBFT可以保證只要有超過2/3的正常節(jié)點(diǎn)達(dá)成一致，就可以抵抗少于1/3的失效或惡意節(jié)點(diǎn)的影響。

PBFT的一個(gè)典型應(yīng)用是Hyperledger Fabric，它是一個(gè)開源的企業(yè)級(jí)區(qū)塊鏈平臺(tái)，支持智能合約和多種共識(shí)算法。Hyperledger Fabric在0.6版本中使用了PBFT作為默認(rèn)的共識(shí)算法，后來在1.0版本中改用了更靈活的可插拔的共識(shí)框架，但仍然保留了PBFT作為一種可選的共識(shí)算法。

聯(lián)邦拜占庭協(xié)議（FBA）

聯(lián)邦拜占庭協(xié)議（FBA）是一種基于拜占庭協(xié)議（BA）的拜占庭容錯(cuò)算法，它由David Mazieres在2015年提出，是一種適用于開放式的分布式系統(tǒng)的共識(shí)算法。FBA不需要預(yù)先確定參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)集合，而是允許每個(gè)節(jié)點(diǎn)自由選擇信任哪些節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)信任關(guān)系形成局部子集。FBA可以在失效或惡意節(jié)點(diǎn)不超過總節(jié)點(diǎn)數(shù)1/3的情況下保證消息傳遞的正確可靠。FBA的優(yōu)點(diǎn)是去中心化程度高，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性好，但缺點(diǎn)是安全性和活性依賴于信任圖的結(jié)構(gòu)。

FBA中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符和一個(gè)公鑰，用來驗(yàn)證消息的簽名。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)自己選擇信任的節(jié)點(diǎn)集合，稱為準(zhǔn)同意集（quorum slice）。一個(gè)準(zhǔn)同意集表示該節(jié)點(diǎn)認(rèn)為必須達(dá)成一致的最小節(jié)點(diǎn)集合。一個(gè)準(zhǔn)同意集可以包含任意數(shù)量和任意類型的節(jié)點(diǎn)，甚至包括自己。一個(gè)準(zhǔn)同意集不一定是固定的，可以隨著時(shí)間和情況而變化。一個(gè)準(zhǔn)同意集也不一定是對(duì)稱的，即A信任B不一定意味著B信任A。

FBA中所有節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)同意集構(gòu)成了一個(gè)信任圖（trust graph），信任圖反映了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的信任關(guān)系。信任圖中存在一個(gè)特殊的子圖，稱為聯(lián)邦（federation），它滿足以下兩個(gè)條件：

  • 重疊性：對(duì)于聯(lián)邦中的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)A和B，存在一個(gè)聯(lián)邦中的節(jié)點(diǎn)C，使得C屬于A和B的準(zhǔn)同意集。
  • 安全性：對(duì)于聯(lián)邦中的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)A和B，不存在一個(gè)非聯(lián)邦中的節(jié)點(diǎn)C，使得C屬于A和B的準(zhǔn)同意集。

聯(lián)邦是FBA中達(dá)成共識(shí)所需要的最小條件，它保證了聯(lián)邦內(nèi)部的一致性和對(duì)外部的隔離性。聯(lián)邦中可能存在多個(gè)不相交或部分相交的子聯(lián)邦，每個(gè)子聯(lián)邦都可以獨(dú)立地達(dá)成共識(shí)。

FBA共識(shí)過程可以分為兩個(gè)階段：提名（nomination）和投票（balloting）。具體流程如下：

  • 提名階段：每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以提出一個(gè)或多個(gè)候選值，并將其廣播給自己的準(zhǔn)同意集。每個(gè)收到候選值的節(jié)點(diǎn)都會(huì)將其轉(zhuǎn)發(fā)給自己的準(zhǔn)同意集，直到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都收到了所有候選值。每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)某種規(guī)則選擇一個(gè)候選值作為自己提名的值，并將其廣播給自己的準(zhǔn)同意集。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到了足夠多（至少f+1）相同提名值，并且該值也屬于自己提名過或收到過的候選值，則該值被認(rèn)為是可接受的值（accepted value），并進(jìn)入下一個(gè)階段。
  • 投票階段：每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)自己的可接受值，生成一個(gè)投票消息，并將其廣播給自己的準(zhǔn)同意集。每個(gè)收到投票消息的節(jié)點(diǎn)都會(huì)將其轉(zhuǎn)發(fā)給自己的準(zhǔn)同意集，直到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都收到了所有投票消息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)某種規(guī)則選擇一個(gè)投票值作為自己確認(rèn)的值，并將其廣播給自己的準(zhǔn)同意集。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到了足夠多（至少2f+1）相同確認(rèn)值，并且該值也屬于自己確認(rèn)過或收到過的投票值，則該值被認(rèn)為是批準(zhǔn)的值（confirmed value），并進(jìn)入下一個(gè)階段。
  • 最終階段：每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)自己的批準(zhǔn)值，生成一個(gè)最終消息，并將其廣播給自己的準(zhǔn)同意集。每個(gè)收到最終消息的節(jié)點(diǎn)都會(huì)將其轉(zhuǎn)發(fā)給自己的準(zhǔn)同意集，直到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都收到了所有最終消息。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到了足夠多（至少2f+1）相同最終值，并且該值也屬于自己最終過或收到過的批準(zhǔn)值，則該值被認(rèn)為是共識(shí)的值（consensus value），并結(jié)束共識(shí)過程。

通過這樣一個(gè)三階段過程，F(xiàn)BA可以保證只要有超過2/3的正常節(jié)點(diǎn)達(dá)成一致，就可以抵抗少于1/3的失效或惡意節(jié)點(diǎn)的影響。

FBA的一個(gè)典型應(yīng)用是Stellar，它是一個(gè)開源的分布式支付網(wǎng)絡(luò)，支持多種貨幣和資產(chǎn)的轉(zhuǎn)賬和交換。Stellar在2015年改用了FBA作為其共識(shí)算法，稱為Stellar共識(shí)協(xié)議（SCP）。SCP允許每個(gè)節(jié)點(diǎn)自由選擇信任哪些節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)信任關(guān)系形成聯(lián)邦。SCP可以在網(wǎng)絡(luò)中快速達(dá)成共識(shí)，同時(shí)保證安全性和去中心化性。

授權(quán)拜占庭容錯(cuò)算法（dBFT）

授權(quán)拜占庭容錯(cuò)算法（dBFT）是一種基于委托權(quán)益證明（DPoS）的拜占庭容錯(cuò)算法，它由Erik Zhang在2016年提出，是一種適用于公有鏈或混合鏈的共識(shí)算法。dBFT不需要所有節(jié)點(diǎn)都參與共識(shí)，而是由網(wǎng)絡(luò)中持有代幣的用戶通過投票選出一定數(shù)量（通常為21個(gè)）的代表節(jié)點(diǎn)（delegate），代表節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)驗(yàn)證交易和生成區(qū)塊。dBFT可以在失效或惡意節(jié)點(diǎn)不超過總代表節(jié)點(diǎn)數(shù)1/3的情況下保證消息傳遞的正確可靠。dBFT的優(yōu)點(diǎn)是低延遲，高吞吐量，節(jié)能環(huán)保，但缺點(diǎn)是中心化程度較高，代表節(jié)點(diǎn)可能存在壟斷或勾結(jié)。

dBFT中每個(gè)代表節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符和一個(gè)公鑰，用來驗(yàn)證消息的簽名。每個(gè)代表節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)角色：主節(jié)點(diǎn)（speaker）或者委員會(huì)成員（committee member）。主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)提出新區(qū)塊，并向其他代表節(jié)點(diǎn)廣播區(qū)塊消息。委員會(huì)成員負(fù)責(zé)驗(yàn)證新區(qū)塊，并向其他代表節(jié)點(diǎn)廣播簽名消息。主節(jié)點(diǎn)和委員會(huì)成員在每個(gè)區(qū)塊周期中輪換。

dBFT共識(shí)過程可以分為兩個(gè)階段：預(yù)備（prepare）和提交（commit）。具體流程如下：

  • 預(yù)備階段：主節(jié)點(diǎn)從交易池中選擇一批交易，并打包成新區(qū)塊，并向其他代表節(jié)點(diǎn)廣播區(qū)塊消息。每個(gè)收到區(qū)塊消息的代表節(jié)點(diǎn)都會(huì)檢查區(qū)塊是否有效，并向其他代表節(jié)點(diǎn)廣播簽名消息。如果一個(gè)代表節(jié)點(diǎn)收到了超過2/3的有效的簽名消息，則進(jìn)入下一個(gè)階段。
  • 提交階段：主節(jié)點(diǎn)收集所有的簽名消息，并將其附加到新區(qū)塊上，并向其他代表節(jié)點(diǎn)廣播最終區(qū)塊消息。每個(gè)收到最終區(qū)塊消息的代表節(jié)點(diǎn)都會(huì)驗(yàn)證區(qū)塊和簽名是否有效，并將區(qū)塊添加到自己的區(qū)塊鏈上，并向網(wǎng)絡(luò)中的普通節(jié)點(diǎn)廣播區(qū)塊。普通節(jié)點(diǎn)收到區(qū)塊后，也會(huì)驗(yàn)證區(qū)塊和簽名是否有效，并將區(qū)塊添加到自己的區(qū)塊鏈上。

通過這樣一個(gè)兩階段過程，dBFT可以保證只要有超過2/3的正常代表節(jié)點(diǎn)達(dá)成一致，就可以抵抗少于1/3的失效或惡意代表節(jié)點(diǎn)的影響。

dBFT的一個(gè)典型應(yīng)用是NEO，它是一個(gè)開源的智能經(jīng)濟(jì)平臺(tái)，支持智能合約和多種資產(chǎn)的發(fā)行和管理。NEO在2016年采用了dBFT作為其共識(shí)算法，稱為NEO共識(shí)協(xié)議（NCP）。NCP允許網(wǎng)絡(luò)中持有NEO代幣的用戶通過投票選出21個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)，共識(shí)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)驗(yàn)證交易和生成區(qū)塊。NCP可以在網(wǎng)絡(luò)中快速達(dá)成共識(shí)，同時(shí)保證安全性和效率。

總結(jié)

拜占庭容錯(cuò)算法是一種在分布式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)的算法，它可以在存在失效或惡意節(jié)點(diǎn)的情況下保證系統(tǒng)中的大多數(shù)節(jié)點(diǎn)能夠達(dá)成一個(gè)正確的共識(shí)。拜占庭容錯(cuò)算法有多種版本，每種版本都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)景。本文介紹了三種比較常見和重要的拜占庭容錯(cuò)算法：實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（PBFT），聯(lián)邦拜占庭協(xié)議（FBA）和授權(quán)拜占庭容錯(cuò)算法（dBFT）。這三種算法分別適用于私有鏈或許可鏈，開放式的分布式系統(tǒng)和公有鏈或混合鏈。它們都可以在失效或惡意節(jié)點(diǎn)不超過總節(jié)點(diǎn)數(shù)1/3的情況下保證消息傳遞的正確可靠，但也有不同的性能，擴(kuò)展性，去中心化程度等方面的差異。拜占庭容錯(cuò)算法是分布式系統(tǒng)和區(qū)塊鏈技術(shù)中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，未來還有很多值得探索和改進(jìn)的空間。

以上就是什么是拜占庭容錯(cuò)算法？PBFT、FBA和dBFT有什么區(qū)別？的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于詳解拜占庭容錯(cuò)算法的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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