BFT:「技術篇」拜占庭容錯共識算法介紹

1.前言

區塊鏈的共識算法中，除了常見的工作量證明和權益證明外，還有拜占庭容錯共識算法。

拜占庭容錯共識算法是由拜占庭將軍問題衍生出來的共識算法。

拜占庭將軍問題：

拜占庭將軍問題是LeslieLamport在10世紀80年代提出的一個假想問題。拜占庭是東羅馬帝國的首都，由于當時拜占庭羅馬帝國國土遼闊，每支軍隊的駐地分隔很遠，將軍們只能靠信使傳遞消息。發生戰爭時將軍們必須制訂統一的行動計劃。然而，這些將軍中有叛徒，叛徒希望通過影響統一行動計劃的制定與傳播，破壞忠誠的將軍們一致的行動計劃。因此，將軍們必須有一個預定的方法協議，使所有忠誠的將軍夠達成一致。而且少數幾個叛徒不能使忠誠的將軍做出錯誤的計劃。也就是說，拜占庭將軍問題的實質就是要尋找一個方法，使得將軍們在一個有版徒的非信任環境中建立對戰斗計劃的共識。

3萬枚ETH從未知錢包轉至OKX:7月6日消息，Whale Alert數據顯示，北京時間14:35分左右，30,000枚ETH（約合57,687,950美元）從未知錢包轉至OKX。[2023/7/6 22:21:30]

在分布式系統中，特別是在區塊鏈網絡環境中，也和拜占庭將軍的環境類似，有運行正常的服務器，還有故障的服務器，有破壞者的服務器，即拜占庭錯誤節點。共識算法的核心是在正常的節點間形成對網絡狀態的共識。

2.拜占庭容錯共識算法的版本分類

拜占庭容錯共識算法有3種版本，每種版本都具有各自的優缺點。這些版本分別是：

1)實用拜占庭容錯

2)聯邦拜占庭協議

3)授權拜占庭容錯算法

3.各種拜占庭容錯共識算法版本的優缺點

下面來看看它們的優缺點：

3.1實用拜占庭容錯

優點：高速、可擴展。

缺點：通常用于私有網絡和許可網絡。

幣安公布Build the Block總決賽獲勝者為zkPass:金色財經報道，幣安公布 Build the Block 總決賽活動的獲勝者為 zkPass，該項目獲得 Binance Labs 的投資。[2023/6/3 11:55:24]

采用者：HyperledgerFabric、Ripple

實用拜占庭容錯PBFT是首個解決拜占庭將軍問題的方案，當前已被HyperledgerFabric采用。PBFT使用了較少的預選定將軍數，因此運行非常高效。它的優點是高交易通量和吞吐量，但是不足之處在于是中心化的，并用于許可網絡。使用拜占庭容錯機制是一種采用“許可投票、少數服從多數”來選舉領導者并進行記賬的共識機制，該共識機制允許拜占庭容錯，允許強監督節點參與，具備權限分級能力，性能更高，耗能更低，而且每輪記賬都會由全網節點共同選舉領導者，允許33%的節點作惡，容錯率為33%。換句話說，PBFT假設區塊鏈上總的節點數是3f+1個，那么網絡中可以容忍整個網絡中最多f個節點出現拜占庭錯誤而不影響正確的共識。

這里簡單對瑞波Ripple介紹一下：

Circle推出兩項新資助計劃，旨在吸引人才以推進其Web3愿景:1月17日消息，Circle宣布推出新的資助計劃，以吸引開發人員和研究學者，并幫助實現公司的使命。具體如下：

1.為學習Web3開發的學生提供10項10000美元的USDC資助，項目細節，包括今年春季開放的申請流程，將在未來幾周內公布。

2. Circle Insight Award。這是Circle與Crypto and Blockchain Economics Research Forum（CBER）合作推出的首個此類獎項，該金融獎項將表彰杰出的學術論文。這些論文為區塊鏈技術解決實際問題提供了原創、有洞察力的方法。獎金從5000美元到1萬美元不等，將在5月份的CBER年會上宣布。（PR Newswire）[2023/1/17 11:16:37]

在Ripple的共識算法中，將軍是Ripple基金會預先選定的，即參與投票節點的身份是事先知道的，因此，算法的效率比PoW等匿名共識算法要高效，交易的確認時間只需幾秒鐘。當然，這點也決定了該共識算法只適合于權限鏈的場景。Ripple共識算法的拜占庭容錯能力為/5，即可以容忍整個網絡中20%的節點出現拜占庭錯誤而不影響正確的共識。

安全團隊：Zebra官方Discord遭黑客襲擊:金色財經消息，據CertiK Alert數據監測，Zebra官方Discord遭到黑客襲擊，警告用戶不要點擊鏈接、鑄造或批準任何交易。[2022/9/4 13:07:42]

瑞波共識算法使一組節點能夠基于特殊節點列表形成共識。初始特殊節點列表就像一個俱樂部，要接納一個新成員，必須由該俱樂部51%的會員投票通過。共識遵循這些核心成員的“51%權利”，外部人員則沒有影響力。由于該俱樂部由中心化開始，它將一直是中心化的，而如果它開始腐化，股東們什么也做不了。與比特幣及Peercoin一樣，瑞波系統將股東們與其投票權隔開，因此，它比其他系統更中心化。

順便提一下，EOS公鏈除了使用DPoS外，也使用了拜占庭容錯來加速區塊的確認。所以，在區塊的確認時間上，EOS比起它的前身比特股要快很多，幾秒內就可以完成區塊的確認。

3.2聯邦拜占庭協議

優點：吞吐量、低交易開銷和網絡擴展性

采用者：Stellar

扎克伯格：Meta下一款VR頭顯10月推出，將專注于“虛擬場景中的社交”:金色財經報道，扎克伯格表示，Meta的下一款VR頭顯將于10月推出，并將專注于“虛擬場景中的社交”。[2022/8/26 12:50:26]

另一類拜占庭將軍問題的解決方案是FBA，已被Stellar等代幣使用。FBA的通用理念是每個拜占庭將軍負責自身的鏈、消息一旦到來，通過排序建立事實。在Stellar中，任何人都可以成為驗證者，需要用戶選擇去相信哪個驗證者

這里簡單對恒星Stellar介紹一下：

恒星Stellar項目是使用恒星共識來實現的。恒星共識是基于聯邦拜占庭共識。恒星共識協議提供了一種不依賴閉合系統實現準確記錄金融交易而達成共識的方法。

恒星共識協議具有一組可驗證的安全屬性，這些屬性根據如何安全地保持活力而做了優化。一旦出現分區或不當行為節點，它將會終止網絡過程，直至達成共識。SCP同時具備四種屬性：去中心控制、低延遲、靈活信任機制和漸進安全。

目前比較火的免費手機挖礦項目PiNetwork是基于恒星共識協議和聯邦拜占庭協議的算法進行開發(官網minepi.com，邀請碼powervip)。關于PiNetwork更多的資料可以私聊我

網上相關的資料不是很詳實，根據網上查到的資料和我個人的理解，實用拜占庭容錯和聯邦拜占庭協議這2種共識算法的區別在于：

PBFT是單邦制，FBA是聯邦制。

另外，PBFT的節點是預先選定或通過授權的，適用于私鏈和聯盟鏈。FBA是一個完全可以自由加入成為節點或退出節點的共識方式，每個邦內的白名單中節點通過投票選舉產生。因此，FBA比PBFT的去中心化程度更高，但是犧牲了一定的性能，適用于公鏈。

如果要進一步驗證上面的觀點，最好的方法還是去查閱官方的文檔甚至是代碼。

3.3授權拜占庭容錯算法

優點：快速，可擴展。

缺點：每個人都爭相成為根鏈。其中可能存在多個根鏈。

采用者：Neo

授權拜占庭容錯算法，簡稱dBFT，是一種支持通過代理投票實現大規模參與共識的拜占庭容錯共識算法。在國產第一條公鏈小蟻Neo中，令牌持有者可以通過投票選取其支持的bookkeeper。之后，選定的bookkeeper組采用BFT算法達成共識，并生成新區塊。Neo網絡中的投票是實時的，而非因人而異的。

dBFT可為具有個共識節點的共識系統提供f=n?13容錯。這種容錯也涵蓋了安全性和可用性、不受將軍和拜占庭錯誤影響，并且適合任何網絡環境。dBFT具有很好的最終性，這意味著一旦最終確認，區塊將不可分叉，交易將不可再撤銷或是回滾。

Neo的dBFT機制生成一個區塊需15到20秒鐘。交易吞吐量測定約為1000TPS。這對于公共區塊鏈而言，這是很好的性能。通過一定優化，dBFT具有達到一萬TPSS的潛力，這樣就可支持大規模的商業應用。

dBFT中加入了數字身份技術，這意味著bookkeeper可以是真實的個人，也可以是某些機構。因此，dBFT根據存在于其本身之中的司法判決，可以凍結、撤銷、繼承、檢索和擁有代幣兌換權。它有利于實現合規金融資產在Neo網絡中的注冊。Neo網絡從設計上，就是在必要時為此提供支持。

同樣是為了解決拜占庭將軍問題，授權拜占庭容錯機制，是一種在Neo區塊鏈內部實現的保證容錯的共識算法。

在這個機制當中，存在兩個參與者，一個是專業記賬的“記賬節點”，一個是系統當中的普通用戶。

普通用戶基于持有權益的比例來投票決定記賬節點，當需要通過一項共識時，在這些記賬節點中隨機推選出一名發言人擬定方案，然后由其他記賬節點根據拜占庭容錯算法，即少數服從多數的原則進行表態，如果超過66%的節點表示同意發言人方案，則共識達成；否則，重新推選發言人，重復投票過程。

所以說，dBFT機制實際使用了一種迭代共識的方法來保證系統達成一致決定。

這種機制的缺點在于，當系統中有超過三分之一的記賬節點停止工作時，整個區塊鏈網絡將無法提供正常的服務；當超過三分之一的節點聯合作惡時，區塊鏈將有可能發生分叉。

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我是powervip，區塊鏈程序員，公眾號：區塊鏈戰斗機

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