PBFT

本文结合 FISCO BCOS 的 PBFT 实现来深入讨论下 PBFT 算法的细节。

PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)共识算法可以在少数节点作恶(如伪造消息)场景中达成共识，它采用签名、签名验证、哈希等密码学算法确保消息传递过程中的防篡改性、防伪造性、不可抵赖性，并优化了前人工作，将拜占庭容错算法复杂度从指数级降低到多项式级别，在一个由(3f+1)个节点构成的系统中，只要有不少于(2f+1)个非恶意节点正常工作，该系统就能达成一致性，如：7个节点的系统中允许2个节点出现拜占庭错误。

2/3 的由来

我们假设总节点数是N，其中恶意的节点数量是f，相应的普通节点的数量即为N-f：

  • 整个投票的过程必须要在得到N-f个回应的基础内做出决定，假设需要N-f+1个回应，那么恶意节点集体选择不回应，系统就永远无法得到运行；
  • 此外，我们收到N-f个回应后，并不清楚其中有多少个恶意节点，最坏情况是将所有的恶意节点都包括进来了，那么普通节点数量为（N-f）- f；
  • 我们希望普通节点的票数大于恶意节点，因此在上述的最坏情况中，（N-f）- f > f;
  • 即N > 3f;

这也是为何“当收到2/3以上的赞成票后，区块提议得以通过”的原因。

重要概念

节点类型

  • Leader/Primary: 共识节点，负责将交易打包成区块和区块共识，每轮共识过程中有且仅有一个leader，为了防止leader伪造区块，每轮PBFT共识后，均会切换leader；
  • Replica(validator): 副本（验证）节点，负责区块共识，每轮共识过程中有多个Replica节点，每个Replica节点的处理过程类似；
  • Observer: 观察者节点，负责从共识节点或副本节点获取最新区块，执行并验证区块执行结果后，将产生的区块上链。

其中Leader和Replica统称为共识节点。是否需要观察者节点具体看需求（不同的联盟链有着不同的需求）。

节点ID && 节点索引

为了防止节点作恶，PBFT共识过程中每个共识节点均对其发送的消息进行签名，对收到的消息包进行验签名，因此每个节点均维护一份公私钥对，私钥用于对发送的消息进行签名，公钥作为节点ID，用于标识和验签。

节点ID : 共识节点签名公钥和共识节点唯一标识, 一般是64字节二进制串，其他节点使用消息包发送者的节点ID对消息包进行验签

考虑到节点ID很长，在共识消息中包含该字段会耗费部分网络带宽，FISCO BCOS引入了节点索引，每个共识节点维护一份公共的共识节点列表，节点索引记录了每个共识节点ID在这个列表中的位置，发送网络消息包时，只需要带上节点索引，其他节点即可以从公共的共识节点列表中索引出节点的ID，进而对消息进行验签:

节点索引 : 每个共识节点ID在这个公共节点ID列表中的位置

视图

PBFT共识算法使用视图view记录每个节点的共识状态，相同视图节点维护相同的Leader和Replicas节点列表。当Leader出现故障，会发生视图切换，若视图切换成功(至少2f+1个节点达到相同视图)，则根据新的视图选出新leader，新leader开始出块，否则继续进行视图切换，直至全网大部分节点(大于等于2f+1)达到一致视图。

FISCO BCOS系统中，leader索引的计算公式如下：

leader_idx = (view + block_number) % node_num

下图简单展示了4(3*f+1, f=1)节点FISCO BCOS系统中，第三个节点(node3)为拜占庭节点情况下，视图切换过程：

img.png

  • 前三轮共识： node0、node1、node2为leader，且非恶意节点数目等于2*f+1，节点正常出块共识；
  • 第四轮共识：node3为leader，但node3为拜占庭节点，node0-node2在给定时间内未收到node3打包的区块，触发视图切换，试图切换到view_new=view+1的新视图，并相互间广播viewchange包，节点收集满在视图view_new上的(2*f+1)个viewchange包后，将自己的view切换为view_new，并计算出新leader；
  • 为第五轮共识：node0为leader，继续打包出块。

共识消息

PBFT模块主要包括PrepareReq、SignReq、CommitReq和ViewChangeReq四种共识消息：

  • PrepareReqPacket: 包含区块的请求包，由leader产生并向所有Replica节点广播，Replica节点收到Prepare包后，验证PrepareReq签名、执行区块并缓存区块执行结果，达到防止拜占庭节点作恶、保证区块执行结果的最终确定性的目的；
  • SignReqPacket: 带有区块执行结果的签名请求，由收到Prepare包并执行完区块的共识节点产生，SignReq请求带有执行后区块的hash以及该hash的签名，分别记为SignReq.block_hash和SignReq.sig，节点将SignReq广播到所有其他共识节点后，其他节点对SignReq(即区块执行结果)进行共识；
  • CommitReqPacket: 用于确认区块执行结果的提交请求，由收集满(2*f+1)个block_hash相同且来自不同节点SignReq请求的节点产生，CommitReq被广播给所有其他共识节点，其他节点收集满(2*f+1)个block_hash相同、来自不同节点的CommitReq后，将本地节点缓存的最新区块上链；
  • ViewChangeReqPacket: 视图切换请求，当leader无法提供正常服务(如网络连接不正常、服务器宕机等)时, 其他共识节点会主动触发视图切换，ViewChangeReq中带有该节点即将切换到的视图(记为toView，为当前视图加一)，某节点收集满(2*f+1)个视图等于toView、来自不同节点的ViewChangeReq后，会将当前视图切换为toView。

img.png

PBFT共识主要包括两个线程:

  • PBFTSealer: PBFT打包线程，负责从交易池取交易，并将打包好的区块封装成PBFT Prepare包，交给PBFTEngine处理；
  • PBFTEngine: PBFT共识线程，从PBFTSealer或者P2P网络接收PBFT共识消息包，区块验证器(Blockverifier)负责开始执行区块，完成共识流程，将达成共识的区块写入区块链，区块上链后，从交易池中删除已经上链的交易。

共识步骤

PBFT共识主要包括Pre-prepare、Prepare和Commit三个阶段：

  • Pre-prepare：负责执行区块，产生签名包，并将签名包广播给所有共识节点；
  • Prepare：负责收集签名包（其余节点收到 Pre-prepare 包之后，执行区块，签名广播），某节点收集满2*f+1的签名包后，表明自身达到可以提交区块的状态，开始广播Commit包；
  • Commit：负责收集Commit包，某节点收集满2*f+1的Commit包后，直接将本地缓存的最新区块提交到数据库。

pbft_process.png

img.png

Q：为什么需要 commit 阶段，节点收到了 2f+1 个签名包（同意）直接执行交易写入区块不行吗？

A：

  1. 试想假如Node1收到了3张赞成票，没有commit环节，直接执行了交易；
  2. 它无法保证其他Node是否一样也能进入commit状态，例如Node2、Node0可能因为网络原因没有收到足够的赞成票；尤其是node0（假设他是leader，它收集不到足够的赞成的签名包，很可能会重新选择另外一批交易打包，然后重新走Pre-prepare）
  3. 因此通过commit环节来保证节点们的状态同步。

leader 打包区块

PBFT共识算法中，共识节点轮流出块，每一轮共识仅有一个leader打包区块，leader索引通过公式(block_number + current_view) % consensus_node_num计算得出。 节点计算当前leader索引与自己索引相同后，就开始打包区块。区块打包主要由PBFTSealer线程完成，Sealer线程的主要工作如下图所示：

pbft_process.png

  • 产生新的空块: 通过区块链(BlockChain)获取当前最高块，并基于最高块产生新空块(将新区块父哈希置为最高块哈希，时间戳置为当前时间，交易清空)；
  • 从交易池打包交易: 产生新空块后，从交易池中获取交易，并将获取的交易插入到产生的新区块中；
  • 组装新区块: Sealer线程打包到交易后，将新区块的打包者(Sealer字段)置为自己索引，并根据打包的交易计算出所有交易的transactionRoot；
  • 产生Prepare包: 将组装的新区块编码到Prepare包内，通过PBFTEngine线程广播给组内所有共识节点，其他共识节点收到Prepare包后，开始进行三阶段共识。

pre-prepare 阶段

共识节点收到Prepare包后，进入pre-prepare阶段，此阶段的主要工作流程包括：

  • Prepare包合法性判断：主要判断是否是重复的Prepare包、Prepare请求中包含的区块父哈希是否是当前节点最高块哈希(防止分叉)、Prepare请求中包含区块的块高是否等于最高块高加一；
  • 缓存合法的Prepare包: 若Prepare请求合法，则将其缓存到本地，用于过滤重复的Prepare请求；
  • 空块判断：若Prepare请求包含的区块中交易数目是0，则触发空块视图切换，将当前视图加一，并向所有其他节点广播视图切换请求；
  • 执行区块并缓存区块执行结果: 若Prepare请求包含的区块中交易数目大于0，则调用BlockVerifier区块执行器执行区块，并缓存执行后的区块；
  • 产生并广播签名包：基于执行后的区块哈希，产生并广播签名包，表明本节点已经完成区块执行和验证。

Prepare阶段

共识节点收到签名包后，进入Prepare阶段，此阶段的主要工作流程包括：

  • 签名包合法性判断：主要判断签名包的哈希与pre-prepare阶段缓存的执行后的区块哈希相同，若不相同，则继续判断该请求是否属于未来块签名请求(产生未来块的原因是本节点处理性能低于其他节点，还在进行上一轮共识，判断未来块的条件是：签名包的height字段大于本地最高块高加一)，若请求也非未来块，则是非法的签名请求，节点直接拒绝该签名请求；
  • 缓存合法的签名包：节点会缓存合法的签名包；
  • 判断pre-prepare阶段缓存的区块对应的签名包缓存是否达到2*f+1，若收集满签名包，广播Commit包：若pre-prepare阶段缓存的区块哈希对应的签名包数目超过2*f+1，则说明大多数节点均执行了该区块，并且执行结果一致，说明本节点已经达到可以提交区块的状态，开始广播Commit包；
  • 若收集满签名包，备份pre-prepare阶段缓存的Prepare包落盘：为了防止Commit阶段区块未提交到数据库之前超过2*f+1个节点宕机，这些节点启动后重新出块，导致区块链分叉(剩余的节点最新区块与这些节点最高区块不同)，还需要备份pre-prepare阶段缓存的Prepare包到数据库，节点重启后，优先处理备份的Prepare包。

Commit阶段

共识节点收到Commit包后，进入Commit阶段，此阶段工作流程包括：

  • Commit包合法性判断：主要判断Commit包的哈希与pre-prepare阶段缓存的执行后的区块哈希相同，若不相同，则继续判断该请求是否属于未来块Commit请求(产生未来块的原因是本节点处理性能低于其他节点，还在进行上一轮共识，判断未来块的条件是：Commit的height字段大于本地最高块高加一)，若请求也非未来块，则是非法的Commit请求，节点直接拒绝该请求；
  • 缓存合法的Commit包：节点缓存合法的Commit包；
  • 判断pre-prepare阶段缓存的区块对应的Commit包缓存是否达到2*f+1，若收集满Commit包，则将新区块落盘：若pre-prepare阶段缓存的区块哈希对应的Commit请求数目超过2*f+1，则说明大多数节点达到了可提交该区块状态，且执行结果一致，则调用BlockChain模块将pre-prepare阶段缓存的区块写入数据库；

视图切换处理流程

当PBFT三阶段共识超时或节点收到空块时，PBFTEngine会试图切换到更高的视图(将要切换到的视图toView加一)，并触发ViewChange处理流程；节点收到ViewChange包时，也会触发ViewChange处理流程：

  • 判断ViewChange包是否有效: 有效的ViewChange请求中带有的块高值必须不小于当前节点最高块高，视图必须大于当前节点视图；
  • 缓存有效ViewChange包： 防止相同的ViewChange请求被处理多次，也作为判断节点是否可以切换视图的统计依据；
  • 收集ViewChange包：若收到的ViewChange包中附带的view等于本节点的即将切换到的视图toView且本节点收集满2*f+1来自不同节点view等于toView的ViewChange包，则说明超过三分之二的节点要切换到toView视图，切换当前视图到toView。

缺点

PBFT 的一个问题在于网络的传输复杂度，由于n个节点需要向其余的n-1个节点进行广播，整个传输的复杂度是O(n^2).是制约效率的一个原因。

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