什么是实用的拜占庭容错（PBFT）？

了解拜占庭将军问题

实用的拜占庭容错（PBFT）的基础在于解决拜占庭的将军问题，这是分布式计算中的理论情况，尽管存在不可靠或恶意的参与者，但多个参与者必须协调决定。在这个隐喻中，几个将军围绕着一个城市，必须同意是攻击还是撤退。通信是通过信使发生的，但是有些将军可能是叛徒发送虚假消息。挑战是即使某些投入误导了忠诚将军之间的共识。在区块链和分布式系统中，这转化为确保网络节点在某些节点可能失败或恶意行动时就交易的有效性达成共识。 PBFT旨在通过允许系统保持功能和一致的方式来解决此问题，只要有故障的节点的数量不超过总数的三分之一。

PBFT如何达成共识

PBFT在该网络由一组已知的复制品组成的假设下运行，即维护系统状态副本的节点。一个复制品被指定为主要（领导者），而另一种是备份。当客户将请求发送给主要时，共识过程开始。该协议通过几个阶段进行以确保同意：

• 主要将预备消息广播到所有备份复制品，包括客户端请求和序列号。
• 每个备份复制品在验证消息后，都会向所有其他复制品发送准备消息，从而确认收据和一致性。
• 一旦复制品收集2F+1匹配的准备消息（其中F是有故障节点的最大数量），它就会进入准备的状态。
• 然后，每个副本都会发送一条提交消息，以表示准备应用请求。
• 当复制品接收2F+1有效提交消息时，它会执行请求并将答复发送给客户端。

客户等待f+1相同的答复以接受结果，即使某些复制品有故障，也可以确保正确性。这种多相通信确保所有诚实的节点都达到相同的状态，从而在故障阈值下保持安全性和livese 。

PBFT的关键功能和优势

PBFT最重要的方面之一是其确定性终结性- 一旦进行交易，它是最终的，不能恢复，这与工作证明系统中的概率结局不同。这使得PBFT适用于需要立即一致性的应用。另一个优点是在权限环境中高性能。由于节点的数量有限且已知，因此信息传播是有效的，与能源密集型共识机制相比，允许低潜伏期和高吞吐量。

此外， PBFT可以容忍拜占庭的故障，这意味着它可以处理发送任意或恶意消息的节点，而不仅仅是崩溃的消息。这种弹性在对抗环境中至关重要。该协议还确保安全性（所有正确的节点都同意相同的请求顺序）和livesice （只要主要的诚实，就可以取得进展），只要不超过三分之一的节点是错误的。这些属性使PBFT成为企业区块链平台（例如HyperLeDger Fabric）的首选选择。

局限性和可伸缩性挑战

尽管具有优势，但PBFT面临着明显的局限性，尤其是在可伸缩性方面。交换的消息数与复制品的数量倍增。对于具有N节点的系统，每个阶段都需要O（n²）消息复杂性，随着网络的扩展，这变得不切实际。这将PBFT限制在少量到适中的节点（通常低于100）的网络上。

另一个挑战是静态成员资格假设- PBFT假定固定的已知复制品集。节点的动态添加或去除需要复杂的重新配置协议，而这些方案不受本地支持。此外，对集中式初级的依赖引入了潜在的瓶颈和单点故障。如果主要行为恶意或失败，则系统会启动视图变更协议以选举新的领导者，这可能是缓慢且资源密集的。

安全性还取决于以下假设：在3F+1个节点系统中，不超过F故障节点。超过此阈值会损害整个系统的完整性。因此，PBFT最适合审查和控制节点身份的权限区块链。

在现实世界中实施PBFT

要在实用环境中部署PBFT，例如私人区块链网络，需要几个配置步骤。首先，定义参与节点的集合并分配唯一标识符。每个节点必须运行PBFT共识模块并维护状态机副本。

• 安装兼容的框架，例如Hyperledger Fabric或Apache BFT-Smart 。
• 在共享配置文件中配置节点地址和公共密钥。
• 将一个节点指定为初始主要；其他人将充当备份。
• 为请求处理设置批处理大小和超时值。
• 启用日志记录和监视以跟踪预备，准备和提交消息。
• 实施客户接口，这些界面提交请求并收集F+1响应。

确保所有节点都同步，并使用加密签名来验证消息。定期监视视图变化并验证状态转变在副本上是一致的。网络稳定性和低潜伏期对于维持性能至关重要。

常见问题

PBFT功能所需的最小节点数量是多少？ PBFT至少需要四个节点才能耐受一个故障节点。这是从公式3F+1得出的，其中f = 1。有了三个节点，单个故障可能会超过三分之一的阈值，这使得不可能达成共识。

PBFT如何处理恶意主节点？如果主发送不一致的预备消息或无法采取行动，则备份节点会检测到不一致。超时后，他们启动视图更改，广播消息以切换到新的初选。一旦2F+1个节点就更改达成共识，下一个中的下一个节点就变成了新的主节点。

PBFT可以在公共区块链中使用吗？ PBFT通常不适合公共区块链，因为它的高信息开销和对已知的经过身份验证的节点的要求。拥有成千上万参与者的公共网络将遭受可扩展性和延迟问题的困扰。它主要用于许可或财团区块链。

如果超过三分之一的节点成为故障，会发生什么？如果故障节点的数量超过了3F+1系统中的F，则不能再确定共识。该系统可能会停止进度（违反死亡）或达到不一致的州（违反安全），从而导致潜在的叉子或数据腐败。