Was ist die praktische byzantinische Verwerfungstoleranz (PBFT)?

PBFT löst das Problem der byzantinischen Generäle, indem es den Konsens in verteilten Systemen ermöglicht, auch wenn bis zu ein Drittel der Knoten fehlerhaft oder bösartig ist.

Aug 02, 2025 at 06:42 am

Das Problem der byzantinischen Generäle verstehen

Die Grundlage für die praktische byzantinische Verwerfungstoleranz (PBFT) liegt in der Lösung des Problems der byzantinischen Generäle , einem theoretischen Szenario im verteilten Computer, bei dem mehrere Akteure trotz unzuverlässiger oder böswilliger Teilnehmer eine Entscheidung koordinieren müssen. In dieser Metapher umgeben mehrere Generäle eine Stadt und müssen sich darauf einigen, ob sie angreifen oder sich zurückziehen sollen. Die Kommunikation erfolgt über Messenger, aber einige Generäle sind möglicherweise Verräter, die falsche Nachrichten senden. Die Herausforderung besteht darin, einen Konsens zwischen den loyalen Generälen zu erzielen, auch wenn einige Eingaben irreführend sind. In Blockchain- und verteilten Systemen bedeutet dies, dass die Netzwerkknoten auf die Gültigkeit von Transaktionen einverstanden sind, wenn einige Knoten möglicherweise scheitern oder böswillig handeln. PBFT wurde so konzipiert, dass ein System funktionsfähig und konsistent bleibt, solange die Anzahl der fehlerhaften Knoten ein Drittel der Gesamtsumme nicht überschreitet.

Wie PBFT einen Konsens erzielt

PBFT arbeitet unter der Annahme, dass das Netzwerk aus einem bekannten Satz von Replikaten besteht - keine Kopie des Systemstaates. Eine Nachbildung ist als primär (Führer) bezeichnet, während die anderen Backups sind. Der Konsensprozess beginnt, wenn ein Kunde eine Anfrage an die Primäranforderung sendet. Das Protokoll erfolgt durch mehrere Phasen, um eine Vereinbarung sicherzustellen:

• Die primäre Sendungen über eine Vorbereitungsnachricht an alle Backup-Repliken, einschließlich der Client-Anforderung und einer Sequenznummer.
• Bei jeder Backup -Replik sendet nach der Validierung der Nachricht eine Vorbereitung an alle anderen Repliken, wodurch der Quittung und die Konsistenz bestätigt werden.
• Sobald ein Replikat 2F+1 -Übereinstimmungsmeldungen sammelt (wobei F die maximale Anzahl fehlerhafter Knoten ist), tritt sie in den vorbereiteten Zustand ein.
• Jede Nachbildung sendet dann eine Commit -Nachricht, um die Bereitschaft zur Anwendung der Anfrage anzuzeigen.
• Wenn eine Replik 2F+1 gültige Festungsnachrichten empfängt, wird die Anfrage ausgeführt und eine Antwort an den Client gesendet.

Der Kunde wartet darauf, dass F+1 identische Antworten zum Akzeptieren des Ergebnisses und der Sicherstellung der Korrektheit, auch wenn einige Repliken fehlerhaft sind. Diese Mehrphasenkommunikation garantiert, dass alle ehrlichen Knoten denselben Zustand erreichen und unter dem Fehlerschwellenwert Sicherheit und Lebendigkeit aufrechterhalten.

Schlüsselmerkmale und Vorteile von PBFT

Einer der wichtigsten Aspekte von PBFT ist die deterministische Endgültigkeit -sobald eine Transaktion begangen wird, ist endgültig und kann im Gegensatz zu probabilistischen Endgütern in Proof-of-Work-Systemen nicht zurückgekehrt werden. Dies macht PBFT für Anwendungen geeignet, die eine sofortige Konsistenz erfordern. Ein weiterer Vorteil ist eine hohe Leistung in Erlaubnisumgebungen. Da die Anzahl der Knoten begrenzt und bekannt ist, ist die Nachrichtenausbreitung effizient und ermöglicht im Vergleich zu energieintensiven Konsensmechanismen einen geringen Latenz und einen hohen Durchsatz .

Zusätzlich toleriert PBFT byzantinische Fehler , dh es kann Knoten verarbeiten, die willkürliche oder böswillige Nachrichten senden, nicht nur diejenigen, die abstürzen. Diese Widerstandsfähigkeit ist in kontroversen Umgebungen von entscheidender Bedeutung. Das Protokoll sorgt auch für die Sicherheit (alle korrekten Knoten sind sich auf die gleiche Reihenfolge der Anfragen einig) und die Lebendigkeit (so lange wird der Fortschritt erzielt, wie es ehrlich ist), vorausgesetzt, nicht mehr als ein Drittel der Knoten sind fehlerhaft. Diese Eigenschaften machen PBFT zu einer bevorzugten Auswahl für Enterprise -Blockchain -Plattformen wie Hyperledger Fabric .

Einschränkungen und Skalierbarkeitsprobleme

Trotz seiner Stärken sieht sich PBFT bemerkenswerte Einschränkungen, insbesondere in der Skalierbarkeit , gegenüber. Die Anzahl der ausgetauschten Nachrichten wächst quadratisch mit der Anzahl der Repliken. Für ein System mit N -Knoten erfordert jede Phase die Komplexität der O (n²) Nachrichten, die beim Erweitern des Netzwerks unpraktisch wird. Dies beschränkt PBFT auf Netzwerke mit einer kleinen bis moderaten Anzahl von Knoten , typischerweise unter 100.

Eine weitere Herausforderung ist die statische Annahme der Mitgliedschaft - PBFT setzt eine feste Reihe von bekannten Replikaten aus. Die dynamische Zugabe oder Entfernung von Knoten erfordert komplexe Rekonfigurationsprotokolle, die nicht nativ unterstützt werden. Darüber hinaus führt die Abhängigkeit von einem zentralisierten Primär für einen potenziellen Engpass und einen einzigen Versagenspunkt ein. Wenn sich die Primärin böswillig verhält oder fehlschlägt, initiiert das System ein View Change- Protokoll, um einen neuen Führer zu wählen, der langsam und ressourcenintensiv sein kann.

Die Sicherheit hängt auch davon ab, dass in einem System von 3F+1 -Knoten nicht mehr als f fehlerhafte Knoten existieren. Wenn dieser Schwellenwert überschreitet, gefährdet die Integrität des gesamten Systems. Daher eignet sich PBFT am besten für Erlaubnisblockchains , bei denen Knotenidentitäten überprüft und kontrolliert werden.

Implementierung von PBFT in realen Systemen

Um PBFT in einer praktischen Umgebung einzusetzen, z. B. in einem privaten Blockchain -Netzwerk, sind mehrere Konfigurationsschritte erforderlich. Definieren Sie zunächst den Satz der teilnehmenden Knoten und weisen Sie eindeutige Kennungen zu. Jeder Knoten muss das PBFT -Konsensus -Modul ausführen und eine staatliche Maschinenreplik beibehalten.

• Installieren Sie ein kompatibles Framework wie Hyperledger-Stoff oder Apache BFT-Smart .
• Konfigurieren Sie die Knotenadressen und öffentlichen Schlüssel in einer freigegebenen Konfigurationsdatei.
• Bezeichnen Sie einen Knoten als anfängliche Primär ; Andere werden als Backups fungieren.
• Legen Sie die Stapelgröße und die Zeitüberschreitungswerte für die Anforderungsverarbeitung ein.
• Aktivieren Sie die Protokollierung und Überwachung, um die Vorbereitungen zu verfolgen, Nachrichten vorzubereiten und zu verpflichten.
• Implementieren Sie Client -Schnittstellen , die Anfragen einreichen und F+1 -Antworten sammeln.

Stellen Sie sicher, dass alle Knoten synchronisiert sind, und verwenden Sie kryptografische Signaturen, um Nachrichten zu authentifizieren. Überwachen Sie regelmäßig Änderungen an den Ansicht und validieren Sie, dass Zustandsübergänge über Replikate hinweg konsistent sind. Netzwerkstabilität und geringe Latenz sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Leistung.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die minimale Anzahl von Knoten, die PBFT benötigen, um zu funktionieren?

PBFT erfordert mindestens vier Knoten, um einen fehlerhaften Knoten zu tolerieren. Dies wird aus der Formel 3f+1 abgeleitet, wobei f = 1. Bei drei Knoten könnte ein einzelner Fehler die Drittelschwelle überschreiten, was den Konsens unmöglich macht.

Wie geht PBFT mit einem böswilligen Primärknoten um?

Wenn der Primär inkonsistente Vorbereitungsnachrichten sendet oder nicht handelt, erkennen die Sicherungsknoten die Inkonsistenz. Nach einer Zeitüberschreitung initiieren sie eine Ansichtsänderung und übertragen eine Nachricht, um zu einer neuen Grundschule zu wechseln. Sobald 2F+1 -Knoten auf die Änderung zustimmen, wird der nächste Knoten in der Linie zum neuen Primär.

Kann PBFT in öffentlichen Blockchains verwendet werden?

PBFT ist im Allgemeinen für öffentliche Blockchains aufgrund seines hohen Nachrichtenaufwands und der Anforderung für bekannte, authentifizierte Knoten nicht geeignet . Öffentliche Netzwerke mit Tausenden von Teilnehmern würden unter Skalierbarkeit und Latenzproblemen leiden. Es wird in erster Linie zu genehmigten oder Konsortiumblockchains verwendet.

Was passiert, wenn mehr als ein Drittel der Knoten fehlerhaft werden?

Wenn die Anzahl der fehlerhaften Knoten F in einem 3F+1 -System überschreitet, kann der Konsens nicht mehr garantiert werden . Das System kann entweder den Fortschritt einstellen (Verletzung der Lebendigkeit) oder inkonsistente Zustände (Verstoß gegen die Sicherheit), was zu potenziellen NACHKEN oder Datenversorgung führt.