PRE:科普 | 共识算法的分类（下）_区块链

——Part4?拜占庭容错算法——

▲PBFT

实用性拜占庭容错算法，是一种在信道可靠的情况下解决拜占庭将军问题的实用方法。拜占庭将军问题最早由LeslieLamport等人在1982年发表的论文提出，论文中证明了在将军总数n大于3f，背叛者为f或者更少时，忠诚的将军可以达成命令上的一致，即3f+1<=n，算法复杂度为O(n^f+1)。随后MiguelCastro和BarbaraLiskov在1999年发表的论文中首次提出PBFT算法，该算法容错数量也满足3f+1<=n，算法复杂度降低到了O(n2)。

下面介绍PBFT算法的核心共识流程，如图4所示。

图4.三阶段共识

在请求request阶段，客户端发起请求，主节点收到客户端的请求后，将触发核心共识流程。算法的核心共识流程分为三个阶段：pre-prepare阶段，prepare阶段，commit阶段。其中，节点在prepare阶段和commit阶段各进行了一轮投票，分别对消息的合法性与待执行进行了确认。图中，c代表客户端，0、1、2、3代表节点的编号，在视图为0的情况下，节点0是主节点，节点1、2、3为从节点。打叉的3号代表拜占庭节点，这里表现的恶意行为就是对其它节点的请求无响应。

人大附中物理老师李永乐科普拜占庭将军问题和区块链:5月14日，人大附中物理老师、科普视频网红李永乐在其公众号发布视频《拜占庭将军问题是什么？区块链如何防范恶意节点？》。李永乐老师在视频中对拜占庭将军问题和区块链进行了讲解，他表示，拜占庭将军问题本质上指的是，在分布式计算机网络中，如果存在故障和恶意节点，是否能够保持正常节点的网络一致性问题。在近40年的时间里，人们提出了许多方案解决这一问题，称为拜占庭容错法。例如兰波特自己提出了口头协议、书面协议法，后来有人提出了实用拜占庭容错PBFT算法，在2008年，中本聪发明比特币后，人们又设想了通过区块链的方法解决这一问题。区块链通过算力证明来保持账本的一致性，也就是必须计算数学题，才能得到记账的权力，其他人对这个记账结果进行验证，如果是对的，就认可你的结果。与拜占庭问题比起来，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

pre-prepare阶段：主节点在收到客户端的请求后，会主动向其它节点广播pre-prepare消息，其中，v为当前视图，n为主节点分配的请求序号，D(m)为消息摘要，m为消息本身。从节点在收到pre-prepare消息之后，会对该消息进行合法性验证，若通过验证，那么该节点就会进入pre-prepared状态，表示该请求在从节点处通过合法性验证。否则，从节点会拒绝该请求，并触发视图切换流程。

动态 | 人民日报官方微博科普区块链 强调区块链不等于比特币:人民日报官方微博今早发表9图科普区块链。其中涉及区块链的特点有：1、安全；2、不可篡改；3、可访问；4、无第三方。区块链对未来的影响：1、不需繁琐个人证明；2、看病避免反复检查；3、旅行消费更加便捷；4、交易无需第三方。同时强调，区块链不等于比特币。比特币只是区块链技术的一种应用，区块链还有医疗卫生、食品安全、版权保护等诸多应用领域。[2019/10/28]

prepare阶段：当从接到进入到pre-prepared状态后，会向其它节点广播prepare消息，其中，i为当前节点标识序号。其他节点收到消息后，如果该请求已经在当前节点进入pre-prepared状态，并且收到2f条来自不同节点对应的prepare消息（包含自身发出的以及主节点的pre-prepared消息)，那么该请求就进入到prepared状态。

commit阶段：当请求在当前节点进入prepared状态后，本节点会向其它节点广播commit消息。如果该请求已经在当前节点达到prepared状态，并且收到2f+1条来自不同节点对应的commit消息（包含自身)，那么该请求就会进入到committed状态，并可以进行执行。执行完毕后，节点会将执行结果反馈给客户端进行后续判断。

声音 | ETC Labs主管：科普教育是未来几年公链面临的巨大挑战:ETCLabs主管Darin Kotalik认为，科普教育是未来几年公链面临的巨大挑战，人们必须要对区块链有基本的认识，分清楚公链和私链的区别。[2019/8/25]

——Part5?新型共识算法——

▲HotStuff

HotStuff是一个建立在部分同步模型上的拜占庭容错协议。HotStuff具有线性视图变更的特性，把轮换主节点融入了常规共识流程中，切换主节点无需增加其他协议和代价，且系统在此期间还能继续对外提供服务。该特性解决了PBFT最棘手的视图变更问题，包括实现复杂度高、完成时间不确定以及整个过程系统不能正常对外提供服务等。此外，HotStuff还将共识流程的通信复杂度降低至O(n)。

HotStuff的基础共识流程围绕一个核心的三轮共识投票展开，在该过程中，视图以单调递增的方式不断切换。在每个视图内，都有一个唯一主节点负责打包区块、收集和转发消息并生成QC。整个过程包括5个阶段，准备阶段、预提交阶段、提交阶段、决定阶段和最终阶段。主节点想要提交某个分支，需要在PREPARE、PRE-COMMIT和COMMIT这三个阶段收集n-f个共识节点的带签名的投票消息，并利用门限签名算法把他们合成一个证书，随后广播给从节点。

动态 | 浙江卫视节目科普支付宝区块链防伪溯源产品:昨日，在浙江卫视播出的科普综艺栏目《智造将来》现场，支付宝首次展示了支付宝区块链防伪溯源产品，以接地气的方式公开向大众展示区块链在生活中的应用。[2019/3/4]

图5.BasicHotStuff共识流程

Basic-HotStuff各个阶段的流程高度相似，HotStuff作者便提出Chained-HotStuff来简化Basic-HotStuff的消息类型，并允许Basic-HotStuff的各阶段进行流水线处理。流程如图6所示：

图6.Chained-HotStuff是Basic-HotStuff的流水线形式，v表示视图view，圆角矩阵表示一个node

声音 | 中科院姚建铨：要加快推进区块链与物联网融合的科普 培训:据新华网消息，日前，在区块链与物联网融合发展峰会上，中国科学院院士姚建铨说，关注区块链技术里面的大数据，跟区块链技术结合起来进行测量和检测，能更好地提升激光清洗技术。姚建铨建议，无锡今后要加快推进区块链与物联网融合的科普、培训，正确引导广大人民群众对技术的认知；同时，建立专业、权威，但又普适、成套的理论体系和标准，以此切入区块链的实际应用。[2018/9/18]

▲HoneyBadgerBFT

FLP定理从理论上证明了在纯异步环境下不可能存在一种确定性的共识协议。后世的研究者们为了绕过这个定理，不得不在两个方向上进行妥协：要么加强对网络的假设，要么引入随机源。HoneyBadgerBFT协议，这是一个完全异步的共识协议，它不依赖于任何关于网络环境的时间假设。异步共识协议则完全不需要考虑timer的设置。为了保证协议的活性，异步协议需要引入随机源，简单来说就是当协议无法达成共识的时候，借助上帝抛骰子的方式随机选择一个结果作为最终结果。

HoneyBadgerBFT通过模块化的方式解决了拜占庭环境下的原子广播问题，即如何保证在异步和拜占庭环境下，各个节点按相同顺序收到相同的消息。HoneyBadgerBFT首先将ABC分解成一个核心模块，异步共同子集。之后将ACS分解成了RBC(ReliableBroadcast)和ABA(AsynchronousBinaryAgreement)两个子模块。整体的算法分为三个步骤：

1）每个节点交易随机选择一些交易，所有节点的总交易个数是B。每个节点的交易进行加密生成x。

2）通过ACS协议将每个节点加密的交易进行广播，以及形成统一交易序列。

3）解密交易生成区块。

——Part6?总结——

上述介绍的共识机制有着各自的优缺点，对于不同的区块链系统，我们需要结合实际使用场景与网络规模，采用不同的共识算法。下面我将以表格的形式对目前各平台使用的共识机制进行简要的对比与总结：

作者简介

袁超趣链科技基础平台部共识算法研究小组

参考文献

LamportL,ShostakR,PeaseM.TheByzantinegeneralsproblem//Concurrency:theWorksofLeslieLamport.2019:203-226.

CastroM,LiskovB.PracticalByzantinefaulttolerance//OSDI.1999,99(1999):173-186.

CastroM,LiskovB.PracticalByzantinefaulttoleranceandproactiverecovery.ACMTransactionsonComputerSystems(TOCS),2002,20(4):398-461.

IttaiAbraham,GuyGueta,DahliaMalkhi,LorenzoAlvisi,RamakrishnaKotla,andJean-PhilippeMartin.Re-visitingfastpracticalbyzantinefaulttolerance.CoRR,abs/1712.01367,2017.

MillerA,?XiaY,?CromanK,etal.TheHoneyBadgerofBFTProtocols//AcmSigsacConferenceonComputer&CommunicationsSecurity.ACM,2016:31-42.

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