理解分布式一致性:拜占庭容錯與PBFT

• 拜占庭問題
• 拜占庭容錯BFT
• PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）
• • why 3f+1 ？
  • PBFT 的優(yōu)點
  • PBFT 的缺點

之前的幾篇文章我們講了分布式協(xié)議里面的Paxos協(xié)議和Raft協(xié)議。這兩個協(xié)議主要適用于可信節(jié)點的情況，所謂可信節(jié)點就是節(jié)點只會出現(xiàn)因為系統(tǒng)或者網(wǎng)絡問題的宕機情況，不會有惡意節(jié)點。

那么如果有惡意節(jié)點的情況下，我們怎么去達成共識呢？一個很簡單的辦法就是少數(shù)服從多數(shù)，下面我們看一下拜占庭是做的。

拜占庭問題

先看一下我們要解決的問題，也叫做拜占庭將軍問題。

話說有一天有n個拜占庭將軍相約于魔法師大峽谷中，他們的目標就是推掉對方的塔。塔有點強大，只有不少于m個將軍同時去推塔才能成功，如果一個一個的去推塔，就免不了身死道消的結(jié)果。那時候他們的微信版本還比較低，不能建群聊天，只能一對一的通信。

將軍之間并不是表面上看起來的一條心，假如一個將軍想組織大家在下午兩點鐘去偷塔，那需要怎么樣操作才能保證不少于m個將軍同時執(zhí)行”兩點鐘偷塔“這個命令呢？

這個問題就叫做拜占庭將軍問題，是指在不可信任環(huán)境下的分布式一致性問題。

這里我想強調(diào)一點，分布式一致性是指各個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)同步一致，跟數(shù)據(jù)正確與否沒有關系。

拜占庭容錯BFT

拜占庭容錯是分布式協(xié)議的一種屬性，如果這種協(xié)議可以解決不可信任環(huán)境下的分布式一致性問題，那么它就是拜占庭容錯。

PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）

PBFT是拜占庭容錯的一種實現(xiàn)。它的性能很高并且低延時，能夠解決不信任節(jié)點的問題。

其有如下幾個特征：
1. 同一時間只有一個Leader向外發(fā)送消息，其它節(jié)點只是被動接收消息。
2. 所有的節(jié)點互相之間通信，并且將其收到的消息轉(zhuǎn)發(fā)給其他節(jié)點，從而達成多數(shù)共識。
3. 節(jié)點之間的消息需要保證：A：節(jié)點收到的消息確實是某個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的。B：消息在發(fā)送過程中不會被篡改。

如果想讓PBFT正常工作，那么惡意節(jié)點個數(shù)不能大于總節(jié)點個數(shù)的1/3。

正常來講，節(jié)點個數(shù)越多，惡意節(jié)點所占有的比率就會越低，系統(tǒng)就會越穩(wěn)定，但是因為所有的節(jié)點之間需要兩兩通信，節(jié)點個數(shù)的增多會帶來節(jié)點之間通信的壓力。

下面看下PBFT的工作流程：

客戶端發(fā)給服務器說我要執(zhí)行命令A。

Leader將該命令分發(fā)給所有被動節(jié)點。

客戶端收到f+1（f 是系統(tǒng)能夠承受的最大惡意節(jié)點個數(shù)，即系統(tǒng)總節(jié)點個數(shù)為3f+1）個相同的結(jié)果，那么客戶端即認為共識完成。

這里Leader是隨機選擇出來的，如果選出來的Leader在給定的時間內(nèi)并沒有發(fā)出廣播，那么系統(tǒng)會自動挑選新的Leader并進入下一輪。

why 3f+1 ？

很多同學可能不理解為什么對于f個惡意節(jié)點來說，至少要3f+1個節(jié)點才能正常工作。這里給大家解釋一下。

之前在Paxos和Raft協(xié)議里面，我們給大家講過在可信任節(jié)點的環(huán)境里面，達成共識的條件是收到的消息需要>n/2 ，即要收到大多數(shù)節(jié)點的反饋才能表示共識完成。

那么在有不可信節(jié)點f的情況下，我們的可信任節(jié)點個數(shù)是n-f個，我們收到的可信任節(jié)點個數(shù)的反饋必須>(n-f)/2才表示絕大多數(shù)可信任節(jié)點已經(jīng)收到消息了。同時我們也可能收到f個不信任節(jié)點發(fā)來的消息，那么當（n-f)/2 > f 的時候，根據(jù)多數(shù)原則，我們可以區(qū)分出哪些是信任消息，哪些是不可信任消息，因此得出 n> 3f .

PBFT 的優(yōu)點

一致性結(jié)果一旦產(chǎn)出，不會更改。在區(qū)塊鏈世界，像是比特幣，以太坊，經(jīng)常會聽到區(qū)塊確認的概念，這個就是結(jié)果不確定的問題，他們用的POW算法是以鏈的長度來決定最終的區(qū)塊，當有更長的鏈產(chǎn)生的時候，之前的交易會被完全推翻。而PBFT不會存在這個問題。

相對于POW，PBFT對能源的消耗會少很多很多，再也不用浪費資源去挖坑了。

PBFT 的缺點

說完優(yōu)點說缺點。其實前面我們也提到了，PBFT需要節(jié)點之間兩兩通信，當節(jié)點個數(shù)太多的話，節(jié)點之間通信的消耗會大大增加。所以PBFT只適合用在聯(lián)盟內(nèi)部少數(shù)節(jié)點的情況。像是Hyperledger這樣的聯(lián)盟鏈。

同時，PBFT也可能會受到女巫攻擊（Sybil attack），這個后面我們有時間再單獨講。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的理解分布式一致性:拜占庭容错与PBFT的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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