什么是拜占庭容错算法？PBFT、FBA和dBFT有什么区别？

拜占庭容错算法是一种在分布式系统中实现故障恢复的算法，它是由拜占庭将军问题衍生出来的。拜占庭将军问题是一个经典的分布式系统问题，它描述了一群分散在不同地点的将军，需要通过信使来传递消息，从而达成一个共同的决策。然而，这些将军中可能有一些是叛徒，他们会故意发送错误或不一致的消息，以破坏其他忠诚将军的一致性。因此，拜占庭容错算法的目标是在一个存在故障或恶意节点的非信任环境中，保证系统中的大多数节点能够达成一个正确的共识。

拜占庭容错算法有多种版本，每种版本都有各自的优缺点和适用场景。本文将介绍三种比较常见和重要的拜占庭容错算法：实用拜占庭容错（PBFT），联邦拜占庭协议（FBA）和授权拜占庭容错算法（dBFT）。

实用拜占庭容错（PBFT）

实用拜占庭容错（PBFT）是一种基于投票的拜占庭容错算法，它由Miguel Castro和Barbara Liskov在1999年提出，是第一个在实际系统中可行的拜占庭容错算法。PBFT可以在失效节点不超过总节点数1/3的情况下保证消息传递的正确可靠。PBFT主要用于私有链或许可链，因为它需要预先确定参与共识的节点集合，也就是说，节点的身份是事先知道的。PBFT的优点是高交易通量和吞吐量，但缺点是通信开销大，扩展性差。

PBFT是一种状态机副本复制算法，即服务作为状态机进行建模，状态机在分布式系统的不同节点进行副本复制。每个状态机的副本都保存了服务的状态，同时也实现了服务的操作。所有的副本在一个被称为视图的轮换过程中运作。在某个视图中，一个副本作为主节点（leader），其它的副本节点作为备份节点（backup）。主节点通过随机算法选出，用来负责与提案的客户端通信。

PBFT共识过程可以分为四个阶段：预准备（pre-prepare），准备（prepare），提交（commit）和回复（reply）。具体流程如下：

• 客户端向主节点发送请求消息。
• 主节点给请求消息编号，并向所有副本节点广播预准备消息。
• 每个副本节点收到预准备消息后，检查消息是否有效，并向所有副本节点广播准备消息。
• 每个副本节点收到2f+1个有效的准备消息后（包括自己发送的），进入准备状态，并向所有副本节点广播提交消息。
• 每个副本节点收到2f+1个有效的提交消息后（包括自己发送的），进入提交状态，并执行请求操作，并向客户端发送回复消息。
• 客户端收到f+1个相同的回复消息后，认为请求已经完成，并返回结果。

其中f表示最大可能存在的失效或恶意节点数。通过这样一个四阶段过程，PBFT可以保证只要有超过2/3的正常节点达成一致，就可以抵抗少于1/3的失效或恶意节点的影响。

PBFT的一个典型应用是Hyperledger Fabric，它是一个开源的企业级区块链平台，支持智能合约和多种共识算法。Hyperledger Fabric在0.6版本中使用了PBFT作为默认的共识算法，后来在1.0版本中改用了更灵活的可插拔的共识框架，但仍然保留了PBFT作为一种可选的共识算法。

联邦拜占庭协议（FBA）

联邦拜占庭协议（FBA）是一种基于拜占庭协议（BA）的拜占庭容错算法，它由David Mazieres在2015年提出，是一种适用于开放式的分布式系统的共识算法。FBA不需要预先确定参与共识的节点集合，而是允许每个节点自由选择信任哪些节点，并根据信任关系形成局部子集。FBA可以在失效或恶意节点不超过总节点数1/3的情况下保证消息传递的正确可靠。FBA的优点是去中心化程度高，网络扩展性好，但缺点是安全性和活性依赖于信任图的结构。

FBA中的每个节点都有一个唯一的标识符和一个公钥，用来验证消息的签名。每个节点都有一个自己选择信任的节点集合，称为准同意集（quorum slice）。一个准同意集表示该节点认为必须达成一致的最小节点集合。一个准同意集可以包含任意数量和任意类型的节点，甚至包括自己。一个准同意集不一定是固定的，可以随着时间和情况而变化。一个准同意集也不一定是对称的，即A信任B不一定意味着B信任A。

FBA中所有节点的准同意集构成了一个信任图（trust graph），信任图反映了整个网络中节点之间的信任关系。信任图中存在一个特殊的子图，称为联邦（federation），它满足以下两个条件：

• 重叠性：对于联邦中的任意两个节点A和B，存在一个联邦中的节点C，使得C属于A和B的准同意集。
• 安全性：对于联邦中的任意两个节点A和B，不存在一个非联邦中的节点C，使得C属于A和B的准同意集。

联邦是FBA中达成共识所需要的最小条件，它保证了联邦内部的一致性和对外部的隔离性。联邦中可能存在多个不相交或部分相交的子联邦，每个子联邦都可以独立地达成共识。

FBA共识过程可以分为两个阶段：提名（nomination）和投票（balloting）。具体流程如下：

• 提名阶段：每个节点可以提出一个或多个候选值，并将其广播给自己的准同意集。每个收到候选值的节点都会将其转发给自己的准同意集，直到整个网络都收到了所有候选值。每个节点会根据某种规则选择一个候选值作为自己提名的值，并将其广播给自己的准同意集。如果一个节点收到了足够多（至少f+1）相同提名值，并且该值也属于自己提名过或收到过的候选值，则该值被认为是可接受的值（accepted value），并进入下一个阶段。
• 投票阶段：每个节点会根据自己的可接受值，生成一个投票消息，并将其广播给自己的准同意集。每个收到投票消息的节点都会将其转发给自己的准同意集，直到整个网络都收到了所有投票消息。每个节点会根据某种规则选择一个投票值作为自己确认的值，并将其广播给自己的准同意集。如果一个节点收到了足够多（至少2f+1）相同确认值，并且该值也属于自己确认过或收到过的投票值，则该值被认为是批准的值（confirmed value），并进入下一个阶段。
• 最终阶段：每个节点会根据自己的批准值，生成一个最终消息，并将其广播给自己的准同意集。每个收到最终消息的节点都会将其转发给自己的准同意集，直到整个网络都收到了所有最终消息。如果一个节点收到了足够多（至少2f+1）相同最终值，并且该值也属于自己最终过或收到过的批准值，则该值被认为是共识的值（consensus value），并结束共识过程。

通过这样一个三阶段过程，FBA可以保证只要有超过2/3的正常节点达成一致，就可以抵抗少于1/3的失效或恶意节点的影响。

FBA的一个典型应用是Stellar，它是一个开源的分布式支付网络，支持多种货币和资产的转账和交换。Stellar在2015年改用了FBA作为其共识算法，称为Stellar共识协议（SCP）。SCP允许每个节点自由选择信任哪些节点，并根据信任关系形成联邦。SCP可以在网络中快速达成共识，同时保证安全性和去中心化性。

授权拜占庭容错算法（dBFT）

授权拜占庭容错算法（dBFT）是一种基于委托权益证明（DPoS）的拜占庭容错算法，它由Erik Zhang在2016年提出，是一种适用于公有链或混合链的共识算法。dBFT不需要所有节点都参与共识，而是由网络中持有代币的用户通过投票选出一定数量（通常为21个）的代表节点（delegate），代表节点负责验证交易和生成区块。dBFT可以在失效或恶意节点不超过总代表节点数1/3的情况下保证消息传递的正确可靠。dBFT的优点是低延迟，高吞吐量，节能环保，但缺点是中心化程度较高，代表节点可能存在垄断或勾结。

dBFT中每个代表节点都有一个唯一的标识符和一个公钥，用来验证消息的签名。每个代表节点都有一个角色：主节点（speaker）或者委员会成员（committee member）。主节点负责提出新区块，并向其他代表节点广播区块消息。委员会成员负责验证新区块，并向其他代表节点广播签名消息。主节点和委员会成员在每个区块周期中轮换。

dBFT共识过程可以分为两个阶段：预备（prepare）和提交（commit）。具体流程如下：

• 预备阶段：主节点从交易池中选择一批交易，并打包成新区块，并向其他代表节点广播区块消息。每个收到区块消息的代表节点都会检查区块是否有效，并向其他代表节点广播签名消息。如果一个代表节点收到了超过2/3的有效的签名消息，则进入下一个阶段。
• 提交阶段：主节点收集所有的签名消息，并将其附加到新区块上，并向其他代表节点广播最终区块消息。每个收到最终区块消息的代表节点都会验证区块和签名是否有效，并将区块添加到自己的区块链上，并向网络中的普通节点广播区块。普通节点收到区块后，也会验证区块和签名是否有效，并将区块添加到自己的区块链上。

通过这样一个两阶段过程，dBFT可以保证只要有超过2/3的正常代表节点达成一致，就可以抵抗少于1/3的失效或恶意代表节点的影响。

dBFT的一个典型应用是NEO，它是一个开源的智能经济平台，支持智能合约和多种资产的发行和管理。NEO在2016年采用了dBFT作为其共识算法，称为NEO共识协议（NCP）。NCP允许网络中持有NEO代币的用户通过投票选出21个共识节点，共识节点负责验证交易和生成区块。NCP可以在网络中快速达成共识，同时保证安全性和效率。

总结

拜占庭容错算法是一种在分布式系统中实现故障恢复的算法，它可以在存在失效或恶意节点的情况下保证系统中的大多数节点能够达成一个正确的共识。拜占庭容错算法有多种版本，每种版本都有各自的优缺点和适用场景。本文介绍了三种比较常见和重要的拜占庭容错算法：实用拜占庭容错（PBFT），联邦拜占庭协议（FBA）和授权拜占庭容错算法（dBFT）。这三种算法分别适用于私有链或许可链，开放式的分布式系统和公有链或混合链。它们都可以在失效或恶意节点不超过总节点数1/3的情况下保证消息传递的正确可靠，但也有不同的性能，扩展性，去中心化程度等方面的差异。拜占庭容错算法是分布式系统和区块链技术中的一个重要研究领域，未来还有很多值得探索和改进的空间。

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