拜占庭容錯算法是一種在分布式系統(tǒng)中實現(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的將軍，需要通過信使來傳遞消息，從而達成一個共同的決策。然而，這些將軍中可能有一些是叛徒，他們會故意發(fā)送錯誤或不一致的消息，以破壞其他忠誠將軍的一致性。因此，拜占庭容錯算法的目標是在一個存在故障或惡意節(jié)點的非信任環(huán)境中，保證系統(tǒng)中的大多數(shù)節(jié)點能夠達成一個正確的共識。

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

實用拜占庭容錯（PBFT）

實用拜占庭容錯（PBFT）是一種基于投票的拜占庭容錯算法，它由Miguel Castro和Barbara Liskov在1999年提出，是第一個在實際系統(tǒng)中可行的拜占庭容錯算法。PBFT可以在失效節(jié)點不超過總節(jié)點數(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，因為它需要預(yù)先確定參與共識的節(jié)點集合，也就是說，節(jié)點的身份是事先知道的。PBFT的優(yōu)點是高交易通量和吞吐量，但缺點是通信開銷大，擴展性差。

PBFT是一種狀態(tài)機副本復(fù)制算法，即服務(wù)作為狀態(tài)機進行建模，狀態(tài)機在分布式系統(tǒng)的不同節(jié)點進行副本復(fù)制。每個狀態(tài)機的副本都保存了服務(wù)的狀態(tài)，同時也實現(xiàn)了服務(wù)的操作。所有的副本在一個被稱為視圖的輪換過程中運作。在某個視圖中，一個副本作為主節(jié)點（leader），其它的副本節(jié)點作為備份節(jié)點（backup）。主節(jié)點通過隨機算法選出，用來負責(zé)與提案的客戶端通信。

PBFT共識過程可以分為四個階段：預(yù)準備（pre-prepare），準備（prepare），提交（commit）和回復(fù)（reply）。具體流程如下：

• 客戶端向主節(jié)點發(fā)送請求消息。
• 主節(jié)點給請求消息編號，并向所有副本節(jié)點廣播預(yù)準備消息。
• 每個副本節(jié)點收到預(yù)準備消息后，檢查消息是否有效，并向所有副本節(jié)點廣播準備消息。
• 每個副本節(jié)點收到2f+1個有效的準備消息后（包括自己發(fā)送的），進入準備狀態(tài)，并向所有副本節(jié)點廣播提交消息。
• 每個副本節(jié)點收到2f+1個有效的提交消息后（包括自己發(fā)送的），進入提交狀態(tài)，并執(zhí)行請求操作，并向客戶端發(fā)送回復(fù)消息。
• 客戶端收到f+1個相同的回復(fù)消息后，認為請求已經(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)點數(shù)。通過這樣一個四階段過程，PBFT可以保證只要有超過2/3的正常節(jié)點達成一致，就可以抵抗少于1/3的失效或惡意節(jié)點的影響。

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

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)的共識算法。FBA不需要預(yù)先確定參與共識的節(jié)點集合，而是允許每個節(jié)點自由選擇信任哪些節(jié)點，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)點不超過總節(jié)點數(shù)1/3的情況下保證消息傳遞的正確可靠。FBA的優(yōu)點是去中心化程度高，網(wǎng)絡(luò)擴展性好，但缺點是安全性和活性依賴于信任圖的結(jié)構(gòu)。

FBA中的每個節(jié)點都有一個唯一的標識符和一個公鑰，用來驗證消息的簽名。每個節(jié)點都有一個自己選擇信任的節(jié)點集合，稱為準同意集（quorum slice）。一個準同意集表示該節(jié)點認為必須達成一致的最小節(jié)點集合。一個準同意集可以包含任意數(shù)量和任意類型的節(jié)點，甚至包括自己。一個準同意集不一定是固定的，可以隨著時間和情況而變化。一個準同意集也不一定是對稱的，即A信任B不一定意味著B信任A。

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

• 重疊性：對于聯(lián)邦中的任意兩個節(jié)點A和B，存在一個聯(lián)邦中的節(jié)點C，使得C屬于A和B的準同意集。
• 安全性：對于聯(lián)邦中的任意兩個節(jié)點A和B，不存在一個非聯(lián)邦中的節(jié)點C，使得C屬于A和B的準同意集。

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

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

• 提名階段：每個節(jié)點可以提出一個或多個候選值，并將其廣播給自己的準同意集。每個收到候選值的節(jié)點都會將其轉(zhuǎn)發(fā)給自己的準同意集，直到整個網(wǎng)絡(luò)都收到了所有候選值。每個節(jié)點會根據(jù)某種規(guī)則選擇一個候選值作為自己提名的值，并將其廣播給自己的準同意集。如果一個節(jié)點收到了足夠多（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，則該值被認為是可接受的值（accepted value），并進入下一個階段。
• 投票階段：每個節(jié)點會根據(jù)自己的可接受值，生成一個投票消息，并將其廣播給自己的準同意集。每個收到投票消息的節(jié)點都會將其轉(zhuǎn)發(fā)給自己的準同意集，直到整個網(wǎng)絡(luò)都收到了所有投票消息。每個節(jié)點會根據(jù)某種規(guī)則選擇一個投票值作為自己確認的值，并將其廣播給自己的準同意集。如果一個節(jié)點收到了足夠多（至少2f+1）相同確認值，并且該值也屬于自己確認過或收到過的投票值，則該值被認為是批準的值（confirmed value），并進入下一個階段。
• 最終階段：每個節(jié)點會根據(jù)自己的批準值，生成一個最終消息，并將其廣播給自己的準同意集。每個收到最終消息的節(jié)點都會將其轉(zhuǎn)發(fā)給自己的準同意集，直到整個網(wǎng)絡(luò)都收到了所有最終消息。如果一個節(jié)點收到了足夠多（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值，則該值被認為是共識的值（consensus value），并結(jié)束共識過程。

通過這樣一個三階段過程，F(xiàn)BA可以保證只要有超過2/3的正常節(jié)點達成一致，就可以抵抗少于1/3的失效或惡意節(jié)點的影響。

FBA的一個典型應(yīng)用是Stellar，它是一個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作為其共識算法，稱為Stellar共識協(xié)議（SCP）。SCP允許每個節(jié)點自由選擇信任哪些節(jié)點，并根據(jù)信任關(guān)系形成聯(lián)邦。SCP可以在網(wǎng)絡(luò)中快速達成共識，同時保證安全性和去中心化性。

授權(quán)拜占庭容錯算法（dBFT）

授權(quán)拜占庭容錯算法（dBFT）是一種基于委托權(quán)益證明（DPoS）的拜占庭容錯算法，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算法。dBFT不需要所有節(jié)點都參與共識，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）的代表節(jié)點（delegate），代表節(jié)點負責(zé)驗證交易和生成區(qū)塊。dBFT可以在失效或惡意節(jié)點不超過總代表節(jié)點數(shù)1/3的情況下保證消息傳遞的正確可靠。dBFT的優(yōu)點是低延遲，高吞吐量，節(jié)能環(huán)保，但缺點是中心化程度較高，代表節(jié)點可能存在壟斷或勾結(jié)。

dBFT中每個代表節(jié)點都有一個唯一的標識符和一個公鑰，用來驗證消息的簽名。每個代表節(jié)點都有一個角色：主節(jié)點（speaker）或者委員會成員（committee member）。主節(jié)點負責(zé)提出新區(qū)塊，并向其他代表節(jié)點廣播區(qū)塊消息。委員會成員負責(zé)驗證新區(qū)塊，并向其他代表節(jié)點廣播簽名消息。主節(jié)點和委員會成員在每個區(qū)塊周期中輪換。

dBFT共識過程可以分為兩個階段：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)點廣播區(qū)塊消息。每個收到區(qū)塊消息的代表節(jié)點都會檢查區(qū)塊是否有效，并向其他代表節(jié)點廣播簽名消息。如果一個代表節(jié)點收到了超過2/3的有效的簽名消息，則進入下一個階段。
• 提交階段：主節(jié)點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)點廣播最終區(qū)塊消息。每個收到最終區(qū)塊消息的代表節(jié)點都會驗證區(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)點廣播區(qū)塊。普通節(jié)點收到區(qū)塊后，也會驗證區(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)點達成一致，就可以抵抗少于1/3的失效或惡意代表節(jié)點的影響。

dBFT的一個典型應(yīng)用是NEO，它是一個開源的智能經(jīng)濟平臺，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作為其共識算法，稱為NEO共識協(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個共識節(jié)點，共識節(jié)點負責(zé)驗證交易和生成區(qū)塊。NCP可以在網(wǎng)絡(luò)中快速達成共識，同時保證安全性和效率。

總結(jié)

拜占庭容錯算法是一種在分布式系統(tǒng)中實現(xiàn)故障恢復(fù)的算法，它可以在存在失效或惡意節(jié)點的情況下保證系統(tǒng)中的大多數(shù)節(jié)點能夠達成一個正確的共識。拜占庭容錯算法有多種版本，每種版本都有各自的優(yōu)缺點和適用場景。本文介紹了三種比較常見和重要的拜占庭容錯算法：實用拜占庭容錯（PBFT），聯(lián)邦拜占庭協(xié)議（FBA）和授權(quán)拜占庭容錯算法（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)點不超過總節(jié)點數(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，擴展性，去中心化程度等方面的差異。拜占庭容錯算法是分布式系統(tǒng)和區(qū)塊鏈技術(shù)中的一個重要研究領(lǐng)域，未來還有很多值得探索和改進的空間。

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