PBFT实用拜占庭容错算法详解区块链

分布式架构遭遇的问题分布式架构会遭遇到以下问题：
1、异构环境的分布式架构首先可能遇到网络传输问题，比如数据丢失、延迟、重复、乱序。
2、欺骗攻击和重播攻击
3、操纵多个失效节点，延迟通讯，制造混乱。
具体到区块链世界，存在同样类似的问题：
区块链是一个分布式账本系统，参与者通过点对点网络连接，所有消息都通过广播的形式来发送。系统中存在两种角色:普通节点和记账节点。普通节点使用系统来进行转账、交易等操作，并接受账本中的数据; 记账节点负责向全网提供记账服务，并维护全局账本。我们假设在此网络中，消息可能会丢失、损坏、延迟、重复发送，并且接受的顺序与发送的顺序不一致。此外，节点的行为可以是任意的:可以随时加入、退出网络，可以丢弃消息、伪造消息、停止工作等，还可能发生各种人为或非人为的故障。
其实这就是拜占庭将军问题。
实用拜占庭容错算法PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）为了解决节点故障可能造成对系统的危害，PBFT采用了一种比较简洁的办法。
首先借用一个类比（知乎[Devin Zeng]：
PBFT算法要求至少要4个参与者，一个被选举为军长，3个师长。军长接到总司令命令：你们向前行军500公里。军长就会给3个师长发命令向前行军500公里。3个师长收到消息后会执行命令，并汇报结果。A师长说我在首都以东500公里，B师长说我在首都以东500公里，C师长说我在首都以东250公里。军长总结3个师长的汇报，发现首都以东500公里占多数（2票>1票），所以就会忽略C师长的汇报结果，给总司令汇报说，好了，现在部队是在首都以东500公里了。这就是PBFT算法。
PBFT算法的核心理论是n>=3f+1
n是系统中的总节点数，f是允许出现故障的节点数。换句话说，如果这个系统允许出现f个故障，那么这个系统必须包括n个节点，才能解决故障。
5个概念 client：请求（request）自愿者，上例中指总司令。
replica：副本，所有参与提供服务的节点，上例指军长和师长
primary：承担起提供服务主要职责的节点，上例是军长
backup：其他副本，但相对于primary角色。上例指师长。
view：处于存在primary-bakup场景中的相对稳定的关系，叫视图。
如果primary出现故障，这种相对稳定的视图关系就会转变（transit）。比如军长叛逃（出现故障，对外表现为不可见），那么某个师长就会转变成为军长。系统也就从视图a转变为视图b（a,b均为整数）。
4个阶段 request：client请求阶段（有些说法不包括这个阶段）。总司令给军长下命令。
预准备（pre-prepare）：主节点向所有backup节点发送预准备消息，其中包括当前视图编号，client请求以及请求摘要，签名是否一致等。军长对各位师长说：现在是我的时代（视图），我是军长，你们都是师长，所有人都得听我的。现在公布总司令的命令（先说说总司令是谁，命令摘要）。
准备(prepare)：包括主节点在内的所有副本节点在收到准备消息之后，对消息的签名是否正确，视图编号是否一致，以及消息序号是否满足水线限制这三个条件进行验证，如果验证通过则把这个准备消息写入消息日志中。backup节点核对签名信息，比如其他师长听到总司令的名字，说对，总司令就是这个人没错，然后核对总司令曾经任命这家伙当军长，好吧，那就听他的吧。
确认(commit)：每个副本接受确认消息的条件是：1）签名正确；2）消息的视图编号与节点的当前视图编号一致；3）消息的序号n满足水线条件，在h和H之间。一旦确认消息的接受条件满足了，则该副本节点将确认消息写入消息日志中。每个师长都经过上述核对，确认无误，就会接受命令进行执行。
回复（reply）：结果反馈。

预准备和准备两个阶段用来确保同一个视图中请求发送的时序性（即使对请求进行排序的主节点失效了），准备和确认两个阶段用来确保在不同的视图之间的确认请求是严格排序的。

非主节点失效的例子下图展示了在没有发生主节点失效的情况下算法的正常执行流程，其中副本0是主节点，副本3是失效节点，而C是客户端。通过这个例子，也帮助我们理解n>=3f+1的算法。

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从发起请求到最终收到reply，中间的共识过程需要经过3个阶段：
pre-prepare：primary收到请求，生成新区块并广播
prepare：所有replica收到区块后，广播区块验证结果，同时等待接收超过2/3的节点的广播
commit：收到2/3的节点广播或者超时后，再次发送广播，同时再次等待接收超过2/3的节点的广播
这里的逻辑有点绕：
第一次等待超过2/3的节点广播，是为了确认“已经有超过2/3的节点收到区块了”。但是这只是你自己知道，别人并不知道啊，因此需要再发送一次广播，告诉别的节点“我已经确认有超过2/3的节点收到区块啦”。而第二次等待超过2/3的节点广播，则是为了确认“已经有超过2/3的节点确认(有超过2/3的节点收到区块啦)”，此时说明已经达成共识，可以把该区块写到链上了。

PBFT流程
简单再回顾一下：
1、总司令给军长下命令向前行军500公里；
2、军长将消息（不只有命令）传递给所有师长；
3、1号2号师长又把消息传给其他师长，3号师长处于叛逃状态；
4、军长再次询问各位师长是否同意执行命令。
4、所有军官（包括军长和师长）向总司令汇报结果。

PBFT状态机
这个原文是没有图的，只能根据文字描述自行理解，还是挺复杂的：

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图中的圆角矩形表示状态，六边形表示等待阶段，绿线代表正常流程，红线代表异常流程。下面一个一个的来介绍：
wait request
即等待请求状态，所有节点初始均处于该状态
primary收到REQUEST消息后，会转换到pre-prepare状态
backup收到区块后，会转换到prepare状态
pre-prepare
这个状态是primary专属的，primary生成区块并广播PRE-PREPARE消息后，转换到prepare状态
prepare
进入该状态后，广播PREPARE消息，并等待2f+1个节点确认
wait for 2f+1 prepare
如果等到了2f+1个节点确认（accept或reject），转换到commit状态
如果超时，转换到view change状态
commit
进入该状态后，广播COMMIT消息，并等待2f+1个节点确认
wait for 2f+1 commit
如果等到了2f+1个节点确认（accept或reject），发送REPLY消息，转换回wait request状态
如果超时，转换到view change状态
view change
进入该状态后，广播v+1的VIEW-CHNAGE消息，等待接收2f个节点的VIEW-CHANGE消息
wait for 2f view change
这个状态比较复杂，可以分为以下4种情形：
收到了2f个节点的VIEW-CHANGE消息，并且是新的primary，广播NEW-VIEW消息，并转换到pre-prepare状态
收到了2f个节点的VIEW-CHANGE消息，并且是backup，转换到wait request状态
接收超时，重新回到view change状态，广播v+2的VIEW-CHANGE消息
在收到2f个节点的VIEW-CHANGE消息之前，收到了NEW-VIEW消息，则转换到prepare状态
需要注意的是，如果接收到了NEW-VIEW消息，则表示当前view未达成共识，需要在更高层的view上完成共识。因此，不管当前处于哪个阶段，都需要重新回到prepare状态。
数据结构
接下来就是介绍一下相关的数据结构了，主要是状态和消息。
State

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节点的状态主要包含三部分：
世界状态（即最新区块信息）
消息日志
当前view
Three Phase Protocol

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这里列出了三阶段协议相关的消息结构，其中PRE-PREPARE消息包含新生成的区块，其他消息则主要包含一些id、sequence number、区块内容摘要和签名等信息。
VIEW-CHANGE

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VIEW-CHANGE消息包含的内容比较多：
首先需要基于一个稳定的checkpoint，因此需要包含2f+1个CHECKPOINT消息以证明该checkpoint是有效的。
然后，在该checkpoint之上的所有sequence number，都需要打包对应的PRE-PREPARE消息以及2f个PREPARE消息。
NEW-VIEW

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NEW-VIEW消息首先需要包含2f+1个VIEW-CHANGE消息，以证明确实有超过2/3的节点同意在更高的view上进行新一轮共识。
然后，根据收到的所有VIEW-CHANGE消息中的checkpoint信息，找出最小值min_s和最大值max_s，打包该区间内的每一个sequence number对应的PRE-PREPARE消息。
特别的，为了减少重复验证，如果在某个sequence number上从未进行过view change（即第一轮就达成了共识），则PRE-PREPARE中包含一个特殊的null请求的摘要信息。
具体逻辑参见下图：

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如果想要了解更多的算法细节，可以阅读论文原文：
http://pmg.csail.mit.edu/papers/osdi99.pdf
参考内容：
区块链研习社课程：基于容错的拜占庭将军算法
区块链核心技术：拜占庭共识算法之PBFT
http://www.jianshu.com/p/fb5edf031afd
【PBFT实用拜占庭容错算法详解】作者：Devin Zeng
链接：https://www.zhihu.com/question/52254063/answer/148246972
来源：知乎