什麼是實用的拜占庭容錯（PBFT）？

了解拜占庭將軍問題

實用的拜占庭容錯（PBFT）的基礎在於解決拜占庭的將軍問題，這是分佈式計算中的理論情況，儘管存在不可靠或惡意的參與者，但多個參與者必須協調決定。在這個隱喻中，幾個將軍圍繞著一個城市，必須同意是攻擊還是撤退。通信是通過信使發生的，但是有些將軍可能是叛徒發送虛假消息。挑戰是即使某些投入誤導了忠誠將軍之間的共識。在區塊鍊和分佈式系統中，這轉化為確保網絡節點在某些節點可能失敗或惡意行動時就交易的有效性達成共識。 PBFT旨在通過允許系統保持功能和一致的方式來解決此問題，只要有故障的節點的數量不超過總數的三分之一。

PBFT如何達成共識

PBFT在該網絡由一組已知的複製品組成的假設下運行，即維護系統狀態副本的節點。一個複製品被指定為主要（領導者），而另一種是備份。當客戶將請求發送給主要時，共識過程開始。該協議通過幾個階段進行以確保同意：

• 主要將預備消息廣播到所有備份複製品，包括客戶端請求和序列號。
• 每個備份複製品在驗證消息後，都會向所有其他復製品發送準備消息，從而確認收據和一致性。
• 一旦複製品收集2F+1匹配的準備消息（其中F是有故障節點的最大數量），它就會進入準備的狀態。
• 然後，每個副本都會發送一條提交消息，以表示準備應用請求。
• 當複製品接收2F+1有效提交消息時，它會執行請求並將答復發送給客戶端。

客戶等待f+1相同的答复以接受結果，即使某些複製品有故障，也可以確保正確性。這種多相通信確保所有誠實的節點都達到相同的狀態，從而在故障閾值下保持安全性和livese 。

PBFT的關鍵功能和優勢

PBFT最重要的方面之一是其確定性終結性- 一旦進行交易，它是最終的，不能恢復，這與工作證明系統中的概率結局不同。這使得PBFT適用於需要立即一致性的應用。另一個優點是在權限環境中高性能。由於節點的數量有限且已知，因此信息傳播是有效的，與能源密集型共識機制相比，允許低潛伏期和高吞吐量。

此外， PBFT可以容忍拜占庭的故障，這意味著它可以處理髮送任意或惡意消息的節點，而不僅僅是崩潰的消息。這種彈性在對抗環境中至關重要。該協議還確保安全性（所有正確的節點都同意相同的請求順序）和livesice （只要主要的誠實，就可以取得進展），只要不超過三分之一的節點是錯誤的。這些屬性使PBFT成為企業區塊鏈平台（例如HyperLeDger Fabric）的首選選擇。

局限性和可伸縮性挑戰

儘管具有優勢，但PBFT面臨著明顯的局限性，尤其是在可伸縮性方面。交換的消息數與復製品的數量倍增。對於具有N節點的系統，每個階段都需要O（n²）消息複雜性，隨著網絡的擴展，這變得不切實際。這將PBFT限制在少量到適中的節點（通常低於100）的網絡上。

另一個挑戰是靜態成員資格假設- PBFT假定固定的已知複製品集。節點的動態添加或去除需要復雜的重新配置協議，而這些方案不受本地支持。此外，對集中式初級的依賴引入了潛在的瓶頸和單點故障。如果主要行為惡意或失敗，則係統會啟動視圖變更協議以選舉新的領導者，這可能是緩慢且資源密集的。

安全性還取決於以下假設：在3F+1個節點系統中，不超過F故障節點。超過此閾值會損害整個系統的完整性。因此，PBFT最適合審查和控制節點身份的權限區塊鏈。

在現實世界中實施PBFT

要在實用環境中部署PBFT，例如私人區塊鍊網絡，需要幾個配置步驟。首先，定義參與節點的集合併分配唯一標識符。每個節點必須運行PBFT共識模塊並維護狀態機副本。

• 安裝兼容的框架，例如Hyperledger Fabric或Apache BFT-Smart 。
• 在共享配置文件中配置節點地址和公共密鑰。
• 將一個節點指定為初始主要；其他人將充當備份。
• 為請求處理設置批處理大小和超時值。
• 啟用日誌記錄和監視以跟踪預備，準備和提交消息。
• 實施客戶接口，這些界面提交請求並收集F+1響應。

確保所有節點都同步，並使用加密簽名來驗證消息。定期監視視圖變化並驗證狀態轉變在副本上是一致的。網絡穩定性和低潛伏期對於維持性能至關重要。

常見問題

PBFT功能所需的最小節點數量是多少？ PBFT至少需要四個節點才能耐受一個故障節點。這是從公式3F+1得出的，其中f = 1。有了三個節點，單個故障可能會超過三分之一的閾值，這使得不可能達成共識。

PBFT如何處理惡意主節點？如果主發送不一致的預備消息或無法採取行動，則備份節點會檢測到不一致。超時後，他們啟動視圖更改，廣播消息以切換到新的初選。一旦2F+1個節點就更改達成共識，下一個中的下一個節點就變成了新的主節點。

PBFT可以在公共區塊鏈中使用嗎？ PBFT通常不適合公共區塊鏈，因為它的高信息開銷和對已知的經過身份驗證的節點的要求。擁有成千上萬參與者的公共網絡將遭受可擴展性和延遲問題的困擾。它主要用於許可或財團區塊鏈。

如果超過三分之一的節點成為故障，會發生什麼？如果故障節點的數量超過了3F+1系統中的F，則不能再確定共識。該系統可能會停止進度（違反死亡）或達到不一致的州（違反安全），從而導致潛在的叉子或數據腐敗。