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拜占庭容错 (BFT) 技术详解「科普」

szwzyh · 于 发布 · 638 次阅读

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。

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。

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。

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。

在分析拜占庭问题的时候,假设信道是可信的。拓展开来,在拜占庭容错系统,普遍采用的假设条件包括:

拜占庭节点的行为可以是任意的,拜占庭节点之间可以共谋;

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。

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