拜占庭将军算法共39页

基于投票机制的拜占庭容错共识算法作者：王海勇郭凯璇潘启青来源：《计算机应用》2019年第06期摘要：针对现有的区块链中实用拜占庭容错（PBFT）共识算法、基于动态授权的拜占庭容错（DDBFT）共识算法、联盟拜占庭容错（CBFT）共识算法普遍存在能耗高、效率低、扩展性差等问题，通过引入投票机制，提出了基于投票机制的拜占庭容错（VPBFT）共识算法。

首先，以PBFT算法为基础，将网络中的节点划分为四类具有不同职责的节点。

其次，算法中的投票节点具有投票和评分权，监督生产节点诚实可靠地生产数据块;生产有效的数据块的生产节点优先进入下一轮，候选节点能够被选为生产节点，而普通节点则能够成为投票节点或候选节点。

最后，不同类型的节点之间具有一定的数量关系，能够在不同类型节点的数目或网络中的节点总数发生变化时动态调整参数，从而使得算法适应动态网络。

通过性能仿真分析可知，VPBFT算法相较于PBFT、 DDBFT、CBFT等共识算法，具有低能耗、低时延、高容错性和高动态性。

关键词：区块链;拜占庭容错;投票机制;共识算法;数据块中图分类号： TP301.6文献标志码：AAbstract： Focusing on the problems of high energy consumption， low efficiency and poor scalability of Practical Byzantine Fault Tolerance （PBFT） consensus algorithm， Dynamic authorized Byzantine Fault Tolerance （DDBFT） consensus algorithm and Consortium Byzantine Fault Tolerance （CBFT） consensus algorithm existed in the blockchain， Practical Byzantine Fault Tolerant consensus algorithm based on Voting （VPBFT） was proposed by introducing voting mechanism. Firstly， based on PBFT algorithm， the nodes in the network were divided into four types of nodes with different responsibility. Secondly， the voting nodes in the algorithm had voting and scoring rights to supervise the production nodes to produce data blocks honestly and reliably，the production nodes producing valid data blocks had priority to be selected into next turn， while the candidate nodes were able to be voted as production nodes， and the ordinary nodes were able to be voted as production nodes or candidate nodes. Finally， different types of nodes had a certain quantity relationship between themselves， which means the parameters were able to be dynamically adjusted when the number of different types of nodes or the total number of nodes in the network changed， so that the algorithm was able to adapt to the dynamic network. Through performance simulation analysis， the proposed VPBFT algorithm has low energy consumption， short delay，high fault tolerance and high dynamicity compared with consensus algorithms such as PBFT，DDBFT and CBFT.Key words： blockchain; Byzantine Fault Tolerance （BFT）; voting mechanism; consensus algorithm; data block0 引言自2008年“一種完全通过点对点技术实现的电子现金货币”（即比特币）[1]被提出起，区块链技术正一步一步地得到重视。

非拜占庭容错算法介绍非拜占庭容错算法是一种用于解决拜占庭将军问题的算法。

在计算机领域，拜占庭将军问题是指在分布式系统中，存在恶意节点发送错误信息的问题。

非拜占庭容错算法通过采用特定的机制，可以使系统在存在恶意节点的情况下仍能达成一致的共识。

问题描述在一个分布式系统中，由多个节点组成，节点之间通过消息进行通信。

每个节点可以是正常节点或者恶意节点。

正常节点会遵守协议，而恶意节点可能会发送错误的消息来破坏共识的过程。

拜占庭将军问题就是如何在存在恶意节点的情况下，使得所有的节点能够达成一致的共识。

拜占庭将军问题拜占庭将军问题是由Leslie Lamport在1982年提出的。

问题的背景设定为，一个将军带领着一支军队围攻一座城市，将军分成了多个部队，每个部队由一个将军来指挥。

将军之间需要通过信使来传递消息，然后在没有直接交流的情况下，达成对于是进攻还是撤退的共识。

问题的关键在于，将军中可能存在叛徒，他们会发送错误的消息来误导其他将军。

算法原理为了解决拜占庭将军问题，非拜占庭容错算法引入了一些技术手段。

其中一种常用的手段是使用超过一半的节点的共识来决定最终的结果。

算法的主要步骤如下：1.消息广播：将军们通过信使将自己的决策发送给其他将军。

2.决策选择：每个将军将收到的消息进行整合，并选择出出现次数最多的决策作为自己的决策。

3.决策传递：将决策结果传递给其他将军。

4.决策确认：每个将军将收到的决策结果进行整合，并选取出现次数最多的结果作为最终的决策。

通过以上步骤，非拜占庭容错算法可以保证在不超过一半节点为恶意节点的情况下，仍能获得正确的共识结果。

算法实现实际应用中，非拜占庭容错算法有多种实现方式。

其中一种经典的实现是使用基于签名的算法，例如PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）。

该算法通过将每个消息附带上发送者的签名，来确保消息的完整性和真实性。

同时，通过多次循环的消息广播和决策传递过程，可以逐步过滤掉错误的消息，最终达成共识。

经典拜占庭容错共识机制摘要：一、拜占庭容错共识机制背景二、经典拜占庭容错共识机制介绍1.定义与概念2.基本原理3.主要特点三、经典拜占庭容错共识机制应用1.区块链技术2.分布式系统四、经典拜占庭容错共识机制优缺点分析1.优点2.缺点五、结论正文：一、拜占庭容错共识机制背景随着分布式系统的广泛应用，系统的一致性和可靠性成为关键问题。

拜占庭容错共识机制就是在分布式系统中解决一致性问题的经典方法。

它起源于拜占庭帝国的军队，用来保证在分布式系统中的节点能够在面临恶意节点攻击时，依然能够达成一致。

二、经典拜占庭容错共识机制介绍1.定义与概念经典拜占庭容错共识机制是一种在分布式系统中，面对可能出现拜占庭将军问题的节点，依然能够达成共识的算法。

它主要解决的是在分布式系统中，节点之间的信任问题。

2.基本原理经典拜占庭容错共识机制的基本原理是：节点之间通过互相发送消息，进行投票，当投票数达到一定阈值时，节点之间可以达成共识。

同时，为了防止恶意节点的攻击，机制还需要检查投票的合法性。

3.主要特点经典拜占庭容错共识机制的主要特点是：能够在分布式系统中，面对可能存在恶意节点的环境，依然能够达成一致。

但是，它的缺点是计算复杂度较高，通信开销大。

三、经典拜占庭容错共识机制应用1.区块链技术经典拜占庭容错共识机制在区块链技术中得到了广泛应用，如比特币、以太坊等，通过该机制保证了区块链网络的一致性和安全性。

2.分布式系统经典拜占庭容错共识机制在分布式系统中也有广泛应用，如分布式数据库、分布式文件系统等，通过该机制保证了分布式系统在面对恶意节点攻击时，依然能够正常运行。

四、经典拜占庭容错共识机制优缺点分析1.优点（1）能够在分布式系统中，面对可能存在恶意节点的环境，依然能够达成一致。

（2）具有一定的容错性，即使节点出现故障，也不会影响整个系统的运行。

2.缺点（1）计算复杂度较高，对节点计算能力要求较高。

（2）通信开销大，节点之间需要进行大量的通信，对网络带宽和延迟有较高的要求。

经典拜占庭容错共识机制[经典拜占庭容错共识机制]引言：随着分布式系统的广泛应用，维护节点之间一致性的问题变得越来越关键。

然而，在面临各种攻击、故障和延迟的情况下，如何实现容错共识成为了一个复杂而重要的问题。

经典的拜占庭容错共识机制应运而生，并成为了解决这一问题的重要方法。

本文将深入探讨经典拜占庭容错共识机制的核心原理及其在分布式系统中的应用。

第一部分：拜占庭容错概述1.1 拜占庭容错的起源和定义拜占庭容错（Byzantine Fault Tolerance，BFT）概念最早来源于拜占庭将军问题，即如何在一组将军中，当部分将军叛变或无法进行正常通讯时，仍能保证达到一致性的指令执行。

拜占庭容错机制就是为了解决这一问题而提出的。

1.2 拜占庭容错共识机制的意义拜占庭容错共识机制的核心理念是通过节点之间的相互协作和信息交换，实现系统范围内的一致性。

这对于分布式系统而言尤为重要，因为节点之间可能存在通讯故障、恶意攻击和误操作等情况，这些都可能导致系统的不一致性和安全性问题。

拜占庭容错共识机制具有高可靠性和安全性的特点，能够有效应对这些挑战。

第二部分：经典拜占庭容错共识机制2.1 拜占庭将军问题的数学模型为了更好地理解拜占庭容错共识机制，我们首先需要建立一个数学模型来描述拜占庭将军问题。

该模型通常使用图论或有向图来表示，将每个将军看作节点，将节点之间的通讯和信息交换看作边。

通过定义不同的节点状态和边的权重，可以得出不同情况下的一致性判定规则和最终指令结果。

2.2 拜占庭容错共识机制的关键概念和算法在拜占庭容错共识机制中，共识算法的设计和实现是关键。

目前，最为经典且广泛应用的算法有拜占庭一致性算法（Byzantine Agreement）、拜占庭容错共识（Byzantine Fault Tolerant Consensus）和拜占庭抵抗船长问题算法（Byzantine Resilient Captain Problem）。

2022年5月25日第6卷第10期现代信息科技Modern Information TechnologyMay.2022 Vol.6 No.1016基于信誉值的实用拜占庭容错改进算法研究王启河（华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003）摘 要：共识问题是区块链中的核心问题，针对联盟链常用的实用拜占庭容错算法（PBFT ）中主节点选取随意、网络通信量大、公平性较低等问题，提出一种基于信誉值的PBFT 改进算法。

首先改变信誉值主节点选取方式，然后优化共识流程，节点的累计信誉作为判断达成共识的条件。

达成共识时没有参与共识过程的节点或恶意节点的信誉值降低，降低的信誉值均分给成功参与共识的节点。

经过多次共识后，故障或恶意节点对共识的影响变小，提高了算法的公平性。

关键词：联盟链；实用拜占庭容错算法；共识机制；信誉值；公平性中图分类号：TP311.5文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）10-0016-05Research on Improved Algorithm of Practical Byzantine Fault Tolerance Based onReputation ValueWANG Qihe(School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)Abstract: The consensus problem is the core problem in the blockchain. In view of the problems of arbitrary master node selection, large amount of network communication and low fairness of the Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT), which is commonly used in coalition chains, an improved algorithm of PBFT based on reputation value is proposed. Firstly, it changes the selection mode of reputation value master node. Then the consensus process is optimized, and the accumulated reputation of nodes is used as a condition to judge reaching consensus. The reputation value of nodes that do not participate in the consensus process or malicious nodes is reduced when consensus is reached, and the reduced reputation value is equally distributed to the nodes that successfully participate in consensus. After multiple consensus, the impact of the fault or malicious node on the consensus becomes small and the fairness of the algorithm is improved.Keywords: coalition chain; practical Byzantine fault tolerant algorithm; consensus mechanism; reputation value; fairness0 引 言近2008年中本聪[1]提出一种点对点的电子现金系统即比特币，使得区块链底层技术得到了社会广泛关注。

拜占庭将军问题之⼝头协议本⽂介绍了在将军之间直接传送⼝头消息(Oral Messages)时，解决拜占庭将军问题的算法OM(m)，并对其在m=1且n=4时进⾏了举例说明，最后对OM(m)算法进⾏了证明。

起源位于如今的⼟⽿其的，是的⾸都。

由于当时拜占庭罗马帝国国⼟辽阔，为了达到防御⽬的，每个军队都分隔很远，将军与将军之间只能靠信差传消息。

在战争的时候，拜占庭军队内所有将军和副官必须达成⼀致的共识，决定是否有赢的机会才去攻打敌⼈的阵营。

但是，在军队内有可能存有叛徒和敌军的间谍，左右将军们的决定⼜扰乱整体军队的秩序。

在进⾏共识时，结果并不代表⼤多数⼈的意见。

这时候，在已知有成员谋反的情况下，其余忠诚的将军在不受叛徒的影响下如何达成⼀致的协议，拜占庭问题就此形成。

拜占庭将军问题实际上反映的是⼀个协议问题。

拜占庭帝国军队的将军们必须全体⼀致的决定是否攻击某⼀⽀敌军。

问题是这些将军在地理上是分隔开来的，并且将军中存在叛徒。

⽽这些叛徒可以采取任意的⾏动来破坏将军们的共识。

当这个问题出现的时候，只有满⾜了N≥3F+1才使得该问题有解。

⽐如说将军总数为10，那么叛徒的个数不能⼤于3，即叛徒的数量不能超过三分之⼀。

实际上这便是少数服从多数的问题。

前提拜占庭将军问题⼀致性也需要⼀定的条件作为基础：IC1. 所有忠诚副官遵守同⼀命令IC2. 如果发令官是忠诚的，每个忠诚的副官遵守他的命令。

⾸先，为定义⼝头消息，拜占庭将军消息系统具有以下假设：A1. 每个消息被正确发送。

A2. 消息的接收者知道是谁发送的消息A3. 可以被检测到缺少消息假设A1和A2防⽌叛徒⼲扰其他两个将军的通信，假设A3防⽌叛徒通过不发消息⼲扰⼀致性达成。

另外，⼝头协议算法要求每个将军可以与其他任意将军直接进⾏通信，Leslie在其原⽂中的第五章中描述了不需要满⾜这个条件的算法。

OM(m)算法Lamport针对⼝头消息(Oral Messages)的情况，提出了⼝头协议算法OM(m)，其中m为⾮负。

经典拜占庭容错共识机制经典拜占庭容错共识机制是一种分布式系统中确保一致性的关键算法。

它起源于解决拜占庭将军问题的研究，其中将军们必须就进攻或撤退进行共识，而某些将军可能是不可靠的，可能传递错误的信息，甚至可能是敌对的。

在拜占庭容错共识机制中，每个节点都扮演着将军的角色。

这些节点通过互相通信来达成共识，并决定如何行动。

为了应对不可靠和敌对的节点，算法首先需要节点之间进行消息传递，并采取一定的策略来判断消息的真实性和正确性。

一种常用的拜占庭容错共识机制是拜占庭将军算法。

该算法要求节点之间进行多轮的消息交互，以确定大多数节点的决策，并最终达成共识。

在每一轮中，节点将自己的决策发送给其他节点，并收集其他节点的决策。

然后，节点需要根据收到的决策进行判断，筛选出可靠的节点，并通过多数投票确定最终的决策。

拜占庭容错共识机制的关键在于节点之间的相互信任和信息传递的可靠性。

为了确保共识的正确性，算法需要满足一定的安全性条件，如“一致性”和“价值一致性”。

一致性要求所有节点都达成相同的决策，而价值一致性要求最终的决策必须是被绝大多数节点接受的。

对于故障节点或敌对节点的处理，拜占庭容错共识机制通过多数投票来实现。

多数投票是指选择具有最高票数的决策作为最终的共识结果。

通过这种机制，节点能够排除掉少数错误或恶意的节点，确保系统的安全性和正确性。

总结起来，经典拜占庭容错共识机制是一种通过节点之间的交互和多数投票来达成共识的算法。

它可以应对不可靠和敌对节点的情况，确保分布式系统的一致性。

在实际应用中，拜占庭容错共识机制被广泛应用于区块链技术、分布式数据库等领域，为系统的可靠性和安全性提供了重要保障。

拜占庭协议书拜占庭协议书是根据拜占庭将军问题(Distributed Byzantine Generals Problem)而创建的一种分散式系统的一致性算法，其目的是实现一个能够在存在节点故障和消息延迟的分布式系统中，达成共识的算法。

下面是关于拜占庭协议书的详细阐述。

拜占庭帝国历史悠久，在军队中的沟通与指挥是非常重要的。

然而，军队中存在着可能的叛徒将军，他们可能会传递虚假的命令，从而干扰整个军队的行动。

为了解决这个问题，拜占庭帝国将军问题(Distributed Byzantine Generals Problem)在20世纪80年代被引入，并提出了拜占庭协议书。

拜占庭协议书是一种通过消息传递来达成共识的算法。

在拜占庭将军问题中，存在多个将军和一个拜占庭总指挥。

这些将军可以是忠诚的将军，也可能是叛徒。

他们之间通过消息传递来协商达成共识，以决定下一步的行动。

拜占庭协议书的核心思想是通过多轮协商来达成共识。

首先，每个将军需要将自己的提案(例如行军或撤退)发送给其他将军。

然后，每个将军收到其他将军的提案后，会根据一定的规则来决定自己的提案。

最后，通过多轮的投票和协商，将军们可以达成共识，并决定最终的行动。

在这个过程中，拜占庭协议书解决了两个核心问题：拜占庭将军问题和两个一般性问题。

拜占庭将军问题是指如何在存在叛徒将军的情况下达成共识。

通过使用签名和验证等技术，拜占庭协议书可以确保只有忠诚的将军的提案被接受，而叛徒的提案被排除在外。

另一个问题是如何应对消息延迟。

在分布式系统中，消息可能会由于网络拥塞或其他原因而延迟。

拜占庭协议书通过引入超时机制来解决这个问题。

当一个将军在超过一定时间后没有收到足够的提案时，他会重新选择新的提案并发送给其他将军。

通过解决这两个问题，拜占庭协议书可以在分布式系统中实现高度的容错性和一致性。

即使存在叛徒将军和消息延迟，系统仍然能够达成共识并做出正确的决策。

然而，拜占庭协议书并非没有缺点。