2020-11-26_拜占庭节点

PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerance)

1、问题定义
拜占庭节点：节点的行为是任意的
异步环境的特点：消息丢失、消息延迟、消息重复传播、消息乱序
当分布式系统的拜占庭节点个数 f 占比全部节点个数 N 的 1/3 时，系统总能就某一问题达到一致性状态。
1/3 的原因：
由于是在异步系统，假设有 f 个诚实节点由于异步环境的特点不能及时返回消息，并且 f 个拜占庭节点传播的坏消息先于诚实节点到达，此时如果要保证系统能够正常运转，就要保证活跃的诚实节点的投票大于拜占庭节点的投票，即 N - f - f > f，即N > 3f

2、算法工作流程
整个算法的运行是分视图进行的，每个视图都有一个主节点负责对请求排序，其他节点是副本节点。主节点的选择是通过num = v mod R轮流选出的，其中num 是选中的节点的序号，v是视图数值，R是系统中节点的个数，整个系统的拜占庭节点个数小于1/3。当主节点出现故障时（可能的原因有主节点本身是个拜占庭节点、不可抗力造成的宕机等），就会启动视图更换。算法执行过程如下所示：
其中，C为客户端，0是主节点，1、2、3是备份节点，其中3是故障节点。

1）request阶段
用户C将请求m发送给主节点，消息形式如下所示
其中REQUEST：表明消息发送类型；o 表示请求对状态机的具体操作；t 确保用户的本次请求只会执行一次（后续的时间戳都大于本次的，即时间戳有序）；c 指明客户端；σ是客户端 c 的签名

2）pre-prepare阶段
主节点 p 给请求分配一个序列号 n，并向其他所有的副本节点发送一个pre-prepare消息，消息形式如下所示：
v是当前视图值，d是请求m的摘要。
收到pre-prepare消息的备份节点，检查消息的正确性，即视图是否是当前视图、分配的序号十分正确、主节点签名是否正确等。如果通过检查，副本节点就构造一个prepare消息，然后进入prepare阶段。

3）prepare阶段
通过检查的副本节点 i 将prepare消息转发给系统中的所有人，同时将自己构造的prepare消息和pre-prepare消息保存到自己的日志中。prepare消息的格式如下所示：
每个收到prepare消息的节点，都会检查各个字段的有效性，通过检查之后，就会把该prepare消息记录到自己的日志中。
我们定义一个prepare消息为真，当且仅当，收到 2f 个不同的备份节点对同一个pre-prepare确认生成的prepare消息。

4）commit阶段
当一个节点 i（包括主节点和备份节点） 的prepare消息为真时，节点就进入commit节点，并构造一个commit消息，并将该消息发送给其余全部节点。消息格式如下所示：
每个收到commit消息的节点就会检查每个字段的有效性，通过检查就将该commit消息保存到自己的日志中。
我们定义committed(m,v,n)为真，当且仅当有 f+1 个诚实节点的prepare消息为真；定义committedlocal(m,v,n,i)为真，当且仅当节点 i 的prepare消息为真，并且收到了 2f + 1 个节点发送来的commit。

5）reply阶段
每个committedlocal为真的节点就会执行对应的请求，并reply给用户。只要用户收到 f + 1个reply时就认为自己的请求被正确执行，因为假设最多只有 f 个拜占庭节点，收到 f+1个reply，则至少有一个是诚实节点的响应。