拜占庭容错(BFT)技术详解「科普」
拜占庭容错算法在分布式系统中的应用
拜占庭容错算法在分布式系统中的应用随着分布式系统的迅猛发展，如何保证分布式系统的正确性和可靠性成为一个重要的研究领域。
分布式系统中存在的一些问题，例如网络延迟、硬件故障、软件故障等都会造成分布式系统的错误行为或者崩溃。
为了解决这些问题，拜占庭容错算法应运而生。
本文将介绍拜占庭容错算法及其在分布式系统中的应用。
一、拜占庭将军问题拜占庭将军问题是一个经典的分布式系统问题，指的是将军们共同决定要不要进攻敌人，但是将军之间只能通过信使传递消息，且其中有些将军可能会向其他将军发出错误的消息（即造成假消息）。
在这种情况下，如何保证所有将军对于军队行动的决定达成一致并且保证正确性就是拜占庭将军问题所要解决的。
考虑以下场景：有7个将军，其中最高总司令已经确定了军队要进攻，7个将军需要共同协调决定攻击还是撤退。
假设将军之间可以不受限制地交换消息，但是有一些将军会故意宣称他们收到的指令是进攻，而实际上总司令的指令是撤退。
在这种情况下，如何保证5个将军能够达成一致的决定，并且正确地执行总司令的决定呢？这就是拜占庭将军问题需要解决的问题。
二、拜占庭容错算法拜占庭容错算法是一种保证分布式系统的可靠性和正确性的算法。
它的核心思想是通过在多个节点中进行消息交换和比较，来保证节点之间的一致性，并且可以针对一些节点对于系统稳定性的影响进行容错处理。
拜占庭容错算法主要分为两种：基于签名的拜占庭容错算法和基于复制的拜占庭容错算法。
基于签名的拜占庭容错算法主要依靠消息的数字签名来保证正确性。
在这种算法中，每个节点需要对发送的消息进行签名，并将签名与消息一起发送。
接收方需要验证发送方的签名是否正确，并且考虑到一些节点可能发送错误的消息，需要采用投票机制来判断哪些消息是正确的。
在多数表决的情况下，最终确定正确的结果并执行。
基于复制的拜占庭容错算法主要通过多个节点的复制来实现容错。
在这种算法中，每个节点需要将执行结果发送给其他节点，然后在多数表决的情况下决定最终结果。
数据共识的概念
数据共识的概念数据共识指的是在分布式系统中，所有节点通过一致的算法达成对于数据的一致性。
在分布式系统中，节点之间的时间、空间和网络延迟等因素会导致数据的一致性问题，而数据共识机制旨在解决这一问题。
数据共识机制有很多种，下面我将介绍其中的几种常见的数据共识机制：1.拜占庭容错协议（Byzantine Fault Tolerance，BFT）拜占庭容错协议是一种能够在有恶意节点存在的情况下，确保系统能够达成一致性的共识协议。
它可以容忍多达一半的节点出现故障或者恶意行为，依然能够保证数据的一致性。
2.拜占庭共识算法（Byzantine Fault Tolerant Consensus，BFT Consensus）拜占庭共识算法是一种基于拜占庭容错协议的共识算法。
该算法将数据共识问题转化为拜占庭将军问题，通过节点之间的相互通信和协作，达成对于数据的一致性。
3.权益证明（Proof of Stake，PoS）权益证明是一种共识机制，其中节点被选举为区块生产者的概率与其拥有的加密货币数量成正比。
这种机制减少了资源的浪费，提高了网络的安全性，并减少了对于能源的依赖。
4.工作量证明（Proof of Work，PoW）工作量证明是一种共识机制，其中节点通过解决一定难度的数学问题来竞争出块的权利。
这种机制需要大量的计算资源，从而保护了网络的安全性。
5.权威共识（Authority Consensus）权威共识是一种中心化的共识机制，其中一个或多个权威节点负责验证和确认交易，并将其写入区块链。
这种机制可以快速确认交易，并且节点之间无需竞争。
以上是一些常见的数据共识机制，每种机制都有其优点和缺点，适用于不同的场景。
在实际应用中，可以根据系统的需求和网络的特点选择合适的共识机制。
总之，数据共识是分布式系统中保证数据一致性的重要机制。
通过合理选择和设计共识算法，可以解决节点间的数据一致性问题，确保系统的安全性和可靠性。
PBFT共识算法原理
PBFT共识算法原理PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）共识算法是一种基于拜占庭容错的分布式系统一致性算法。
拜占庭容错（Byzantine Fault Tolerance，BFT）是指在分布式系统中允许一定数量的节点（存在拜占庭故障）产生错误或者作恶，但仍能保证系统达成一致性的特性。
首先，在PBFT算法中，系统中的节点角色可以分为主节点（Primary）和备份节点（Backup）。
主节点负责提出请求（clients request）并将请求广播给其他备份节点。
备份节点接收到请求后，执行相同的业务逻辑，并向其他备份节点传递相同的请求，以保证所有节点在同一状态下。
算法执行具体如下：1. 预备（Pre-prepare）阶段：主节点将客户端的请求封装成一个包含有序序号和请求的消息，并广播给所有备份节点。
备份节点接收到消息后，验证消息的正确性，包括验证签名、正确性和唯一性等。
如果备份节点验证通过，即认为该请求是合法的，就会进入准备（Prepare）阶段。
PBFT算法的关键思想是使用备份节点达成共识，而不是依赖于工作量证明（Proof of Work，PoW）或权益证明（Proof of Stake，PoS）等其他共识机制。
因此，PBFT算法可以提供快速的共识时间和高效的吞吐量。
对于拜占庭节点的处理，PBFT算法引入了视图（View）和证明（Proof）的概念。
视图是系统的一个有序编号，用于识别主节点，当主节点发生故障时，备份节点可以通过视图编号来选举新的主节点。
而证明是通过签名和消息验证来保证消息的合法性和正确性。
总的来说，PBFT算法是一种高效的拜占庭容错共识算法，可以在分布式系统中实现一致性，并且具有快速共识时间和高吞吐量的特点。
然而，PBFT算法也有一些缺点，比如需要节点总数的三分之二以上的节点是诚实的，对系统的可伸缩性也有一定的限制。
因此，在实际应用中，需要根据具体的需求和场景选择合适的共识算法。
bft算法流程
bft算法流程BFT算法流程BFT（Byzantine Fault Tolerance）算法是一种用于保证分布式系统中节点之间可靠通信的一种算法。
它能够在存在故障节点的情况下，仍然保证整个系统的正确性和一致性。
本文将介绍BFT算法的流程，从而帮助读者更好地理解该算法的工作原理。
一、问题定义BFT算法的目标是在存在n个节点的分布式系统中，即使有f个节点出现故障，仍然能够保证系统的正确性。
假设分布式系统中的每个节点都可以发送和接收消息，并且可以分辨出正确的消息和恶意的消息。
二、算法流程1. 角色分配在BFT算法中，将所有的节点分为三类角色：客户端、副本节点和领导者节点。
其中，客户端负责向系统提交请求，副本节点负责存储和处理请求，领导者节点则负责协调和同步副本节点的状态。
2. 请求处理当一个客户端发送请求到系统时，请求首先会被发送到领导者节点。
领导者节点会将请求广播给其他副本节点，并等待超过2/3的副本节点的回复。
这样可以确保至少有一部分副本节点是正确的。
3. 请求验证当副本节点收到领导者节点的请求后，首先会对请求进行验证。
验证的目的是确保请求是合法的，不是由恶意节点发送的。
验证的过程可以使用数字签名、哈希函数等方式来实现。
4. 执行请求经过验证的请求将会被副本节点执行。
这些节点会根据请求的顺序和逻辑依次执行，并将执行结果保存下来。
5. 回复领导者节点当副本节点执行完请求后，会将执行结果回复给领导者节点。
领导者节点会等待超过2/3的副本节点的回复。
6. 响应客户端当领导者节点收到超过2/3的副本节点的回复后，会将执行结果发送给客户端。
客户端可以根据执行结果来确定请求是否成功。
7. 数据同步为了保证系统的一致性，领导者节点会定期将自己的状态同步给其他副本节点。
这样可以确保所有的副本节点都具有相同的状态。
8. 领导者选举如果领导者节点发生故障，系统需要重新选举新的领导者节点。
选举的过程可以使用一些选举算法，如Paxos算法或Raft算法。
经典拜占庭容错共识机制
经典拜占庭容错共识机制经典拜占庭容错共识机制是一种分布式系统中确保一致性的关键算法。
它起源于解决拜占庭将军问题的研究，其中将军们必须就进攻或撤退进行共识，而某些将军可能是不可靠的，可能传递错误的信息，甚至可能是敌对的。
在拜占庭容错共识机制中，每个节点都扮演着将军的角色。
这些节点通过互相通信来达成共识，并决定如何行动。
为了应对不可靠和敌对的节点，算法首先需要节点之间进行消息传递，并采取一定的策略来判断消息的真实性和正确性。
一种常用的拜占庭容错共识机制是拜占庭将军算法。
该算法要求节点之间进行多轮的消息交互，以确定大多数节点的决策，并最终达成共识。
在每一轮中，节点将自己的决策发送给其他节点，并收集其他节点的决策。
然后，节点需要根据收到的决策进行判断，筛选出可靠的节点，并通过多数投票确定最终的决策。
拜占庭容错共识机制的关键在于节点之间的相互信任和信息传递的可靠性。
为了确保共识的正确性，算法需要满足一定的安全性条件，如“一致性”和“价值一致性”。
一致性要求所有节点都达成相同的决策，而价值一致性要求最终的决策必须是被绝大多数节点接受的。
对于故障节点或敌对节点的处理，拜占庭容错共识机制通过多数投票来实现。
多数投票是指选择具有最高票数的决策作为最终的共识结果。
通过这种机制，节点能够排除掉少数错误或恶意的节点，确保系统的安全性和正确性。
总结起来，经典拜占庭容错共识机制是一种通过节点之间的交互和多数投票来达成共识的算法。
它可以应对不可靠和敌对节点的情况，确保分布式系统的一致性。
在实际应用中，拜占庭容错共识机制被广泛应用于区块链技术、分布式数据库等领域，为系统的可靠性和安全性提供了重要保障。
一种用于区块链的拜占庭容错算法
唯一公认的全局账本。
传统的针对某些特定问题的容错方法，并不能完全解决分布式系统以及区块链系统的容错问题，人们需要一种能够容忍任何种类错误的容错方案。
比特币采用工作量证明机制[1]，非常巧妙地解决了这个问题。
但是代价也很明显，那就是巨额的电力成本和资源浪费。
此外，新的区块链必须寻找到一种与之不同的散列算法，用于避免来自比特币的算力攻击，如莱特币采用了与比特币的SHA256不同的SCRYPT算法。
拜占庭容错技术是一种解决分布式系统容错问题的通用方案[5]。
本文在Castro和Liskov 于1999年提出的Practical Byzantine Fault Tolerance(PBFT)[3]的基础上，提出了一种改进的拜占庭容错算法，使其能够适用于区块链系统。
2.系统模型区块链是一个分布式账本系统，参与者通过点对点网络连接，所有消息都通过广播的形式来发送。
系统中存在两种角色：普通节点和记账节点。
普通节点使用系统来进行转账、交易等操作，并接受账本中的数据；记账节点负责向全网提供记账服务，并维护全局账本。
我们假设在此网络中，消息可能会丢失、损坏、延迟、重复发送，并且接受的顺序与发送的顺序不一致。
此外，节点的行为可以是任意的：可以随时加入、退出网络，可以丢弃消息、伪造消息、停止工作等，还可能发生各种人为或非人为的故障。
我们采用密码学技术来保证消息传递的完整性和真实性，消息的发送者要对消息的散列值进是节点i对消息m的电子签名，D(m)是消息m的散列值。
如果没有特行签名。
我们定义〈m〉σi殊说明，本文所规定的签名都是对消息散列值的签名。
3.算法我们的算法同时提供了安全性和可用性，只要参与共识的错误节点不超过⌊n−1⌋，就能保证整3个系统正常运作，其中n=|R|表示参与共识的节点总数，R是共识节点的集合。
令f=⌊n−1⌋，3则f就表示系统所容许的错误节点的最大数量。
由于实际上全局账本仅由记账节点来维护，因此系统中的普通节点不参与共识算法，但可以看到完整的共识过程。
拜占庭容错算法测试步骤
拜占庭容错算法测试步骤拜占庭容错（Byzantine Fault Tolerance，简称BFT）算法是一种应对分布式系统中存在错误节点或恶意攻击的容错机制。
BFT算法的测试步骤是确保该算法的稳定性和可靠性的关键，通过测试验证其在面对各种情况下仍能正常运行。
下面将介绍BFT算法测试的具体步骤。
首先，我们需要搭建一个实验环境。
该环境应该包括多个节点，每个节点都具有执行BFT算法的功能。
为了模拟错误节点或恶意攻击，我们可以在其中的一些节点中引入错误或恶意行为。
接着，我们需要确定一组测试用例。
这些测试用例应该包括常见的错误场景和恶意攻击情景。
例如，一个测试用例可以模拟网络断开的情况，另一个测试用例可以模拟节点发送错误的消息，还有一个测试用例可以模拟节点恶意篡改其他节点的消息。
然后，我们执行测试用例。
在每个测试用例中，我们可以选定一个节点作为测试运行的发起者，并指定其他节点的行为方式。
例如，在一个测试用例中，我们可以指定节点1发送错误消息，节点2发送正确消息，其他节点保持正常行为。
这样可以模拟节点1的错误行为对整个系统的影响。
接下来，我们观察系统的行为和输出结果。
通过观察输出结果，我们可以确定系统是否继续正常工作，并是否能够达到容错的目标。
如果系统能够正常工作并且达到容错目标，那么该测试用例通过。
如果系统发生故障或无法达到容错目标，那么该测试用例不通过。
最后，我们对不通过的测试用例进行分析。
我们可以追踪系统的执行过程，查找系统发生故障的原因。
例如，在网络断开的测试用例中，我们可以查看节点之间的通信是否失败，是否有错误处理机制。
通过分析，我们可以找到并修复系统中的问题，以确保下一次测试能够通过。
通过以上步骤，我们可以全面而有指导意义地测试拜占庭容错算法。
通过不断测试和分析，我们可以逐步提高该算法的稳定性和可靠性，为分布式系统的安全性提供有力支持。
中国科学家突破区块链核心技术提出首个完全实用异步共识算法
96中国科学家突破区块链核心技术 提出首个完全实用异步共识算法近日，中国科学院软件研究所张振峰团队联合美国新泽西理工学院唐强团队，在区块链核心技术的拜占庭容错（BFT）共识研究中取得重要突破，在国际上提出首个完全实用的异步共识算法“小飞象拜占庭容错（DumboBFT）算法”（简称“小飞象算法”）。
区块链领域这一重大突破性成果的研究论文，近日在第27届国际计算机与通信安全大会上发表并做大会报告，这也是在异步BFT 共识算法设计领域，中国科学家首次有重要研究成果在国际顶级会议上发表。
成果主要完成人张振峰研究员介绍说，作为区块链的关键核心技术，BFT 共识算法是确保区块链安全可靠运行、提升区块链扩展能力和运行性能的核心算法。
BFT 共识算法具有运行性能高、资源消耗低、易于部署等特点，得到工业界的青睐，广泛应用于区块链系统中。
异步BFT 算法能够容忍网络通信故障、抵抗拜占庭敌手恶意攻击，是保障区块链在互联网环境下健壮运行的理想共识技术。
如何设计高效的异步BFT 共识算法仍然是密码学和分布式计算领域的难题，包括多位图灵奖得主在内的众多国际学者先后对这一难题进行探索，2016年提出的“蜜獾算法”（HoneyBadgerBFT）是第一个接近实用的异步共识算法，已被应用于区块链平台。
张振峰指出，为设计完全实用的异步共识算法，中科院软件所于2015年开展“小飞象算法”研究工作。
该算法以独到视角对“蜜獾算法”进行分析，揭示其性能受限的根源是大量随机化子模块调用导致的运行时间增加；提出全新的可证明可靠广播原语，通过密码学“证明”保证了交易广播的正确完成，并给出基于门限数字签名技术的高效构造方法；通过一种创新性的多值拜占庭共识应用，将对交易的共识转换为对“证明”的共识，使“小飞象算法”在容忍1/3的恶意节点的同时，突破异步共识算法在性能上的设计挑战。
张振峰说，在遍布全球四大洲的100个共识节点的测试网络中，“小飞象算法”的确认延迟时间为24秒，不到“蜜獾算法”的1/20；交易吞吐量为每秒近1.8万笔、是“蜜獾算法”的9倍多。
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节点之间的错误是不相关的；
节点之间通过异步网络连接，网络中的消息可能丢失、乱序并延时到达，但大部分协议假设消息在有限的时间里能传达到目的地；
节点之间传递的信息，第三方可以嗅探到，但是不能篡改、伪造信息的内容和破坏信息的完整性。
另外，拜占庭容错系统需要达成如下两个指标：
安全性：任何已经完成的请求都不会被更改，它可以在以后请求看到。在区块链系统中，可以理解为，已经生成的账本不可篡改，并且可以被节点随时查看。
活性：可以接受并且执行非拜占庭客户端的请求，不会被任何因素影响而导致非拜占庭客户端的请求不能执行。在区块链系统中，可以理解为，系统需要持续生成区块，为用户记账，这主要靠挖矿的激励机制来保证。
假设分布式系统拥有n台节点，并假设整个系统拜占庭节点不超过m台（n≥3m+1），拜占庭容错系统需要满足如下两个条件：
所有非拜占庭节点使用相同的输入信息，产生同样的结果。在区块链系统中，可以理解为，随机数相同、区块算法相同、原账本相同的时候，计算结果相同。
如果输入的信息正确，那么所有非拜占庭节点必须接收这个消息，并计算相应的结果。在区块链系统中，可以理解为，非拜占庭节点需要对客户的请求进行计算并生成区块。
拜占庭将军问题（Byzantine Generals Problem），首先由Leslie Lamport与另外两人在1982年提出，很简单的故事模型，却困扰了计算机科学家们数十年。
我们将拜占庭将军问题简化一下，所有忠诚的将军都能够让别的将军接收到自己的真实意图，并最终一致行动；而形式化的要求就是，“一致性”与“正确性”。
一致性：每个忠诚的将军必须收到相同的命令值vi（vi是第i个将军的命令）
正确性：如果第i个将军是忠诚的，那么他发送的命令和每个忠诚将军收到的vi相同。
Lamport对拜占庭将军的问题的研究表明，当n > 3m时，即叛徒的个数m小于将军总数的n的1/3时，通过口头同步通信（假设通信是可靠的），可以构造同时满足“一致性”和“正确性”的解决方法，即将军们可以达成一致的命令。
拜占庭容错理论算法
拜占庭容错系统，英文全称是Byzantine Fault Tolerance，是一种理论上解决拜占庭问题的方法，并非实用，不过基于BFT理论延伸出了其他共识机制。
区块链网络的记账共识和拜占庭将军的问题是相似的。参与共识记账的每一个节点相当于将军，节点之间的消息传递相当于信使，某些节点可能由于各种原因而产生错误的信息传递给其他节点。通常这些发生故障的节点被称为拜占庭节点，而正常的节点即为非拜占庭节点。
拜占庭容错技术，是一类分布式计算领域的容错技术。名称拜占庭是一个泛指，它代表着计算机领域，在这个领域内会有很多问题，如硬件错误、网络拥堵或中断以及遭到恶意攻击等等，造成计算机网络可能出现的混乱。BFT技术就是为了使混乱状态达到一致性。
拜占庭将军问题
BFT技术的由来源于一个叫拜占庭将军问题。
拜占庭位于如今的土耳其的伊斯坦布尔，是东罗马帝国的首都，由于当时拜占庭罗马帝国国土辽阔，每支军队的驻地分隔很远，将军们只能靠信使传递消息。发生战争时，将军们必须制订统一的行动计划。然而，这些将军中有叛徒，叛徒希望通过影响统一行动计划的制定与传播，破坏忠诚的将军们一致的行动计划。因此，将军们必须有一个预定的方法协议，使所有忠诚的将军能够达成一致，而且少数几个叛徒不能使忠诚的将军做出错误的计划。也就是说，拜占庭将军问题的实质就是要寻找一个方法，使得将军们能在一个有叛徒的非信任环境中建立对战斗计划的共识，拜占庭问题就此形成。