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實用拜占庭容錯算法(PBFT)

拜占庭帝國即東羅馬帝國,擁有巨大的財富,並對鄰邦垂誕已久,為此派出了10支軍隊去包圍這個敵人。這個敵人雖不比拜占庭帝國,但也足以抵禦5支常規拜占庭軍隊的同時襲擊。基於壹些原因,這10支軍隊不能集合在壹起單點突破,必須在分開的包圍狀態下同時攻擊。他們任壹支軍隊單獨進攻都毫無勝算,除非有至少6支軍隊同時襲擊才能攻下敵國。他們分散在敵國的四周,依靠通信兵相互通信來協商進攻意向及進攻時間。困擾這些將軍的問題是,他們不確定他們中是否有叛徒,叛徒可能擅自變更進攻意向或者進攻時間。在這種狀態下,拜占庭將軍們能否找到壹種分布式的協議來讓他們能夠遠程協商,從而贏取戰鬥?這就是著名的拜占庭將軍問題在分布式系統中指的是消息不僅可以被丟失、延遲、重放,還可以被偽造。

PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)算法由Miguel Castro 和Barbara Liskov在1999年提出來的,解決了原始拜占庭容錯算法效率不高的問題,將算法復雜度由指數級降低到多項式級,使得拜占庭容錯算法在實際系統應用中變得可行。

PBFT是壹種狀態機副本復制算法,壹般包括三種協議:壹致性協議(agreement)、檢查點協議(checkpoint)和視圖更換協議(view change)。該算法要滿足以下兩個性質:

安全性(safety):safety means nothing bad happens. 活性(liveness):liveness means that something good eventually happens.

在壹個拜占庭系統裏面,要容忍f個拜占庭節點錯誤,則replica數量至少為3f+1,這是滿足安全性的前提。因為網絡延遲或宕機,系統存在f個節點不回復響應(f個節點包括拜占庭節點和非拜占庭節點,最壞情況f個節點全是非拜占庭節點),剩下2f+1個響應中可能有f個拜占庭節點,從而得到n-2f>f,即響應中非拜占庭節點數目大於拜占庭節點數目(f+1>f)。

算法不依賴同步提供安全性,則必須依賴同步提供活性,否則違背FLP定理(在異步通信場景,即使只有壹個進程失敗了,沒有任何算法能保證非失敗進程能夠達到壹致性)。在拜占庭節點不超過f,並且delay(t)有界的情況下就能保證系統活性,delay(t)表示從消息發送到接受的時間間隔。

在壹個view裏面,會從replicas中選擇壹個primary,其余的replicas則叫backups。如果主節點行為發生異常,則進行view change換主。 ?

遊戲從client向primary發送請求 開始。 狀態機操作, 時戳。 遊戲從client至少收到f+1個replicas的響應 結束。 視圖編號, 時戳, 客戶端身份, replica編號, 請求結果。why f+1?因為在2f+1個committed中有f個拜占庭節點表面上同意請求,實際上根本不會回復請求

3.1 重彩大戲------三階段協議

Pre-prepare:

Primary為客戶端請求分配壹個序列號n,向所有backups發現預準備消息 。 視圖編號, 消息 的摘要。

Prepare:

若滿足以下條件,backups接受預準備消息: 1.客戶端請求和預準備消息具有正確簽名。 2.當前視圖編號是v。 ? 3.backups從未在當前視圖v接收過序列號為n但摘要不同的預準備請求。 ? 4.h<n<H。防止壹個拜占庭節點選擇壹個大的序號來消耗序號空間

如果上述條件滿足,backups接收預準備消息,進入prepare階段,向其他節點廣播準備消息 ,並將預準備和準備消息寫入日誌。

commit:

如果backups收到2f包括自己個與預準備消息壹致的準備消息,請求消息和預準備消息具有相同的視圖v和序列號n,並且已將相關消息寫入日誌,則進入commit階段,向其他節點廣播壹條確認消息 。如果各節點收到2f+1條相同的commits消息,則向客戶端發送壹條reply消息。

3.2 垃圾回收

? PBFT是壹種狀態機副本復制算法,replicas會將執行過消息記錄在本地日誌中,為了節省內存,需要壹種機制來清理日誌。何時來清理?在每次操作完後執行是不明智的,因為比較耗資源。可以定期清理,比如每100次清理壹次。我們將請求後執行的狀態稱為檢查點checkpoint;帶證明的檢查點稱為stable certificate,當節點收到2f+1個checkpoint消息時,可證明穩定檢查點是正確的。穩定檢查點之前的日誌消息均可刪除。

? 當清理檢查點時replica i向其他replicas廣播壹條檢查點協議 , 是最近壹次正確執行請求序號, 是其當前狀態摘要。如果每壹個replica收到2f+1個具有相同序號 和摘要 的檢查點消息,這時每壹個replica可以清理序列號 小於等於n的日誌信息。

檢查點協議也用來更新水平線。低水平線 等於最近穩定檢查點的序號,高水平線 , 為日誌大小。

3.3 視圖更改

當主節點掛掉,或者在commit階段有些節點收到2f+1個commit,有些沒有收到2f+1個commit,導致狀態不壹致,這些狀況都需要更改視圖來提供系統活性和安全性。

當請求超時,備份節點進入視圖v+1,廣播視圖更改消息 。 穩定檢查點序列號, 是穩定檢查點證明, 是壹個集合,包含對請求 (請求的序列號大於 )相關消息集合 。 包含2f+1個相同的準備消息。

?當視圖v+1的主節點收到2f個相同個視圖更改消息,向其他副本廣播新視圖消息 , 是2f+1個視圖更改消息, 的計算規則如下: 1.確定序列號 和 。其中 等於 中穩定檢查點序列號, 等於 中最大prepare消息序列號。 ? 2.主節點為 和 之間的每壹個序列號n分配pre-prepare消息。如果 中包含n對應的 組合,則對應的預準備消息為 (也就是說序列號n對應的請求有2f+1個prepare消息,在新視圖中依然提交這個請求)。如果 中不包含n對應的 組合,則提交null消息為 ,即不做任何處理。

副本收到新視圖消息後,廣播壹次prepare消息,進入v+1,視圖更換完成。