4.4　PBFT演算法

1999年Castro和Liskov提出的PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）是第一個得到廣泛應用的BFT演算法。在PBFT演算法中，至多可以容忍不超過系統全部節點數量的1/3的拜占庭節點“背叛”，即如果有 超過2/3的節點正常，整個系統就可以正常工作。早期的拜占庭容錯演算法或者基於同步系統的假設，或者由於效能太低而不能在實際系統中運作。PBFT演算法解 決了原始拜占庭容錯演算法效率不高的問題，將演算法複雜度由指數級降低到多項式級，使得拜占庭容錯演算法在實際系統應用中變得可行。也許就是出於效率的考慮，央 行推出的區塊鏈數字票據交易平臺用的就是優化後的PBFT演算法。騰訊的區塊鏈用的也是PBFT。

在PBFT演算法中，每個副本有3個狀態：pre-prepare、prepared和commited。訊息也有 3種：pre-prepare、prepare和committed。收到pre-prepare訊息並且接受就進入prepared狀態。收到 commit訊息並且接受就進入Committed狀態。下面以一個有4個節點/拷貝的例子說明，這個網路內，僅允許1個拜占庭節點（此處設f=1）。

百花村小學舉行百米賽跑比賽，3年級第一組的選手只有4個人：Alice、Bob、Cathy和David（簡稱 A、B、C、D）。為了節省錢，比賽並沒有請裁判，而是在4個選手中隨機挑出一個做裁判，假設是Alice。眾所周知，百米跑的口令是：“各就各位，預 備，跑！”

這裡“各就各位”就是pre-prepare訊息，選手接受了命令就會腳踩進助跑器，而這一動作被其他選手看到， 就會認為該選手進入了prepared狀態。相當於發了一個prepare訊息給其他選手。同理，預備就是prepare訊息，選手接受了就是雙手撐起， 身子呈弓形，而這一動作被其他選手看到，就會認為該選手進入了committed狀態。

1）假設A是公正的。Alice得到老師示意，3年級第一組準備比賽。Alice就喊：“各就各位！”

老師的示意相當於一個外部訊息請求。Alice收到這個訊息，給訊息編一個號，比如編為030101號。必須編 號，因為比賽有一個規則（假想），連續4次起跑失敗，整個組都被淘汰。B、C、D同學收到口令後，如果認為命令無誤，便都把腳踩進助跑器（拜占庭的那個人 例外）。而這一個動作又相當於互相廣播了一個prepare訊息。A、B、C、D選手互相看到對方的動作，如果確認多於f個人（由於此處f=1，所以至少 是2個人）的狀態和自己應有的狀態相同，則認為大家進入prepared狀態。選手會將自己收到的pre-prepare和傳送的prepare資訊記錄 下來。

2）假設A是公正的。Alice看到至少2個人進入prepare狀態，Alice就接著喊：“預備，跑！”。

3）接下來發生的事類似上一步：B、C、D同學收到口令後（相當於收到commit訊息），如果認為命令無誤，便 都雙手撐起，身子呈弓形（拜占庭的那個人例外）。而這一個動作又相當於互相廣播了一個commit訊息。A、B、C、D選手互相看到對方的動作，如果確認 多於f個人（由於此處f=1，所以至少是2個人）的狀態和自己應有的狀態相同，則認為大家進入committed狀態。當大家都確認進入 Committed狀態後，就可以起跑了！

4）假設A是不公正的。A就會被換掉，重新選一個選手B發令。

這時候，由於所有選手都記錄了自己的狀態和接受/傳送的資訊。那些換掉前已經是Committed狀態的選手，開 始廣播commit訊息，如果確認多於f個人（由於此處f=1，所以至少是2個人）的狀態和自己應有的狀態相同，則認為大家進入committed狀態。 而對於換掉前是prepared和pre-prepare狀態的選手，則完全作廢以前的命令和狀態，重新開始。

PBFT演算法的主要優點如下。

·PBFT演算法共識各節點由業務的參與方或者監管方組成，安全性與穩定性由業務相關方保證。

·共識的時延大約在2～5秒，基本達到商用實時處理的要求。

·共識效率高，可滿足高頻交易量的需求。

因為非常適合聯盟鏈的應用場景，PBFT及其改進演算法因此成為目前使用最多的聯盟鏈共識演算法。改進主要集中在：①修改底層網路拓撲的要求，使用P2P網路；②可以動態地調整節點數量；③減少協議使用的訊息數量等。

不過PBFT仍然是依靠法定多數（quorum），一個節點一票，少數服從多數的方式，實現了拜占庭容錯。對於聯盟鏈而言，這個前提沒問題，甚至是優點所在。但是在公有鏈中，就有很大的問題。

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