区块链共识算法 PBFT(拜占庭容错)PAXOSRAFT简述

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了区块链共识算法 PBFT(拜占庭容错)PAXOSRAFT简述相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

共识算法

区块链中最重要的便是共识算法,比特币使用的是POS(Proof of Work,工作量证明),以太币使用的是POS(Proof of Stake,股权证明)使得算理便的不怎么重要了,而今POS的变体DPOS(Delegated Proof of Stake,股份授权证明)进一步削减算力的浪费,同时也加强了区块链的安全性。

不过,对于不需要货币体系的许可链或者私有链而言,绝对信任的节点,以及高效的需求上述共识算法并不能够提供,因此对于这样的区块链,传统的一致性算法成为首选,PBFT(拜占庭容错)、PAXOS、RAFT。


PBFT(拜占庭容错)

基于拜占庭将军问题,一致性的确保主要分为这三个阶段:预准备(pre-prepare)、准备(prepare)和确认(commit)。流程如下图所示:



其中C为发送请求端,0123为服务端,3为宕机的服务端,具体步骤如下:

1. Request:请求端C发送请求到任意一节点,这里是0

2. Pre-Prepare:服务端0收到C的请求后进行广播,扩散至123

3. Prepare:123,收到后记录并再次广播,1->023,2->013,3因为宕机无法广播

4. Commit:0123节点在Prepare阶段,若收到超过一定数量的相同请求,则进入Commit阶段,广播Commit请求

5.Reply:0123节点在Commit阶段,若收到超过一定数量的相同请求,则对C进行反馈


根据上述流程,在 N ≥ 3F + 1 的情況下一致性是可能解決,N为总计算机数,F为有问题的计算机总数


N=4 F=0 时:


得到数据 最终数据
A 1 1 1 1 1
B 1 1 1 1 1
C 1 1 1 1 1
D 1 1 1 1 1


N=4 F=1 时:


得到数据 最终数据
A 1 1 1 0 1
B 1 1 0 1 1
C 1 0 1 1 1
D 0 1 1 1 1


N=4 F=2 时:


得到数据 最终数据
A 1 1 0 0 NA
B 1 0 0 1 NA
C 0 0 1 1 NA
D 0 1 1 0 NA


由此可以看出,拜占庭容错能够容纳将近1/3的错误节点误差,IBM创建的Hyperledger就是使用了该算法作为共识算法。


PAXOS

PAXOS是一种基于消息传递且具有高度容错特性的一致性算法。


算法本身用语言描述极其精简:

phase 1
a) proposer向网络内超过半数的acceptor发送prepare消息
b) acceptor正常情况下回复promise消息
phase 2
a) 在有足够多acceptor回复promise消息时,proposer发送accept消息
b) 正常情况下acceptor回复accepted消息


PAXOS中有三类角色Proposer、Acceptor及Learner,主要交互过程在Proposer和Acceptor之间,做成图便如下图所示:

区块链共识算法 PBFT(拜占庭容错)、PAXOS、RAFT简述


其中1,2,3,4代表顺序。


以下图描述多Proposer的情况,T代表时间轴,图中仅画全一个Proposer与Acceptor的关系:


区块链共识算法 PBFT(拜占庭容错)、PAXOS、RAFT简述


A3在T1发出accepted给A1,然后在T2收到A5的prepare,在T3的时候A1才通知A5最终结果(税率10%)。这里会有两种情况:
1. A5发来的N5小于A1发出去的N1,那么A3直接拒绝(reject)A5
2. A5发来的N5大于A1发出去的N1,那么A3回复promise,但带上A1的(N1, 10%)

最终A5也会接受10%


区块链共识算法 PBFT(拜占庭容错)、PAXOS、RAFT简述


上图描述,如果已经Promise一个更大的N,那么会直接Reject更小的N


区块链共识算法 PBFT(拜占庭容错)、PAXOS、RAFT简述


上述描述了,即使Promise了一个N,如果在未Accepted前,再收到一个更大的N,那么依旧会Reject那个即使已经Promise的N


总流程图氪概括如下:


区块链共识算法 PBFT(拜占庭容错)、PAXOS、RAFT简述


PAXOS协议用于微信PaxosStore中,每分钟调用Paxos协议过程数十亿次量级。

RAFT

RAFT核心思想很容易理解,如果数个数据库,初始状态一致,只要之后的进行的操作一致,就能保证之后的数据一致。由此RAFT使用的是Log进行同步,并且将服务器分为三中角色:Leader,Follower,Candidate,相互可以互相转换。

RAFT从大的角度看,分为两个过程:

1. 选举Leader

2. Leader生成Log,并与Follower进行Headbeats同步


选举Leader

Follower自增当前任期,转换为Candidate,对自己投票,并发起RequestVote RPC,等待下面三种情形发生;

1. 获得超过半数服务器的投票,赢得选举,成为Leader
2. 另一台服务器赢得选举,并接收到对应的心跳,成为Follower
3. 选举超时,没有任何一台服务器赢得选举,自增当前任期,重新发起选举


同步日志

Leader接受客户端请求,Leader更新日志,并向所有Follower发送Heatbeats,同步日志。所有Follwer都有ElectionTimeout,如果在ElectionTimeout时间之内,没有收到Leader的Headbeats,则认为Leader失效,重新选举Leader


流程图示:




安全性保证

1. 日志的流向只有Leader到Follower,并且Leader不能覆盖日志

2. 日志不是最新者不能成为Candidate


动画演示RAFT:http://thesecretlivesofdata.com/raft/


总结

以上三种一致性算法仅仅只是核心思路而已,如果要具体实现当然还有很多方面需要进一步的完善。以上三种算法都可以作为区块链的共识算法,并且部分公司已经开始使用,不过最出名的还应属IBM的Hyperledger使用的PBFT共识算法。





得到数据 最终数据
A 1 1 1 1 1
B 1 1 1 1 1
C 1 1 1 1 1
D 1 1 1 1 1




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以上是关于区块链共识算法 PBFT(拜占庭容错)PAXOSRAFT简述的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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