共识算法4 (BFT)

拜占庭将军问题(Byzantine Generals Problem),由Leslie Lamport、Robert Shostak和Marshall Pease,在其同名论文中提出(1982年)。拜占庭将军问题现在主要指分布式对等网络节点间的通信容错问题。在分布式网络中,不同的计节点通过交换信息达成共识。但有时候,系统中的成员节点可能出错而发送错误的信息,用于传递信息的通讯网络也可能导致信息损坏,也可能存在恶意节点或被黑客攻破的节点故意发送错误的信息,从而导致系统无法达成共识或者达成错误的共识。(参考:BFT Wikipedia

拜占庭将军问题提出后,有很多的算法被提出用于解决这个问题。这类算法统称拜占庭容错算法(BFT: Byzantine Fault Tolerance)。BFT从上世纪80年代开始被研究,目前已经是一个被研究得比较透彻的理论,具体实现都已经有现成的算法。

BFT算法中最典型的是PBFT(Practical BFT)。PBFT是由Miguel Castro和Barbara Liskov于1999年提出。PBFT算法解决了之前拜占庭容错算法效率不高的问题,将算法复杂度由指数级降低到多项式级,使得拜占庭容错算法在实际系统应用中变得可行。PBFT在保证安全性和可用性的前提下,提供了 (n-1)/3 的容错性。(细节请参考:PBFT

PBFT之后,很多进一步提升性能或鲁棒性的BFT算法先后被提出,例如Zyzzyva、ABsTRACTs、Aardvark、RBFT等等。近几年,由于区块链的热度,无数针对区块链应用场景优化过的BFT算法也不断涌现出来。虽然目前PBFT已经不能说是最好的,或最适合区块链的BFT算法。但是PBFT已经足够好了,而且在实际应用中已经非常成熟。

在BFT共识机制中,网络中节点的数量和身份必须是提前确定好的。BFT共识机制无法做到PoW共识机制中实现的任何人都可以随时加入挖矿。另外,BFT算法无法应用到大量的节点,业内普遍认为100个节点是BFT算法的上限。所以BFT算法无法直接用于公有链,BFT算法适合的场景是私有链和联盟链。业内大名鼎鼎的联盟链Hyperledger fabric v0.6采用的是PBFT,v1.0又推出PBFT的改进版本SBFT。这里再顺便提一句,在可信环境下共识算法一般使用传统的分布式一致算法PAXOS或者RAFT。

公有链使用BFT的一个例外是NEO,NEO使用了DBFT(delegated BFT)共识机制。DBFT共识机制下投票选出7个共识节点。这些代理节点是通过静态选出的,并完全由项目方部署。这也是NEO被外界质疑过于中心化的原因。(参考:早期公有链明星项目-NEO

BFT算法和公有链合适的结合点在于基于BFT的PoS共识算法(BFT based PoS)。基于BFT的PoS共识算法要点有:一,网络节点通过锁定虚拟资产申请成为区块链系统的验证者(或矿工)。系统验证者的数量是动态变化的。二,系统从当前验证者中随机选择一个人作为区块提案人。三,系统验证者对区块提案进行投票表决,投票可能要进行多轮才能达成共识。每个人的投票比重与锁定的虚拟资产成比例。

基于BFT的PoS的典型例子是tendermint(Cosmos采用了tendermint作为共识核心)。

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