BFT

BFT，全称拜占庭容错（Byzantine Fault Tolerance），是一类分布式共识算法的总称。这类算法旨在解决所谓的“拜占庭将军问题”——即在一个可能发生叛徒（故障节点或恶意节点）欺骗、发送错误信息的分布式系统中，如何让所有忠诚的将军（正常节点）就同一个行动计划达成一致。

BFT机制的核心目标是：即使系统中存在一定数量的节点（不超过系统容忍极限）发生任意类型的故障（包括恶意行为），整个系统依然能够就交易的顺序和状态达成一致，保证安全性和活性。

关键特性：

  1. 安全性（Safety）：所有正常节点对交易顺序和状态的认知是一致的。绝不会发生“双花”等错误。

  2. 活性（Liveness）：系统最终能够产生新的区块并确认交易，不会无限期卡住。

  3. 容错能力：一个经典的BFT系统（如PBFT）可以容忍 f 个拜占庭节点（恶意或故障节点）的破坏，但需要至少 3f + 1 个总节点数来达成共识。

    • 公式推导：假设总节点数为 N，恶意节点为 f。我们需要多数正常节点（N - f）来达成一致，但这个多数必须大于恶意节点数 f（否则恶意节点可以伪造多数），即 N - f > f => N > 2f。为了绝对可靠，通常要求 N >= 3f + 1。

    • 这意味着在5个节点的系统中，最多可以容忍 1 个恶意节点 (5 >= 3*1 + 1)。

Practical Byzantine Fault Tolerance（实用拜占庭容错）是一个经典的BFT算法，其核心过程分为预准备（Pre-Prepare）、准备（Prepare） 和提交（Commit） 三阶段。

  1. 请求（Request）：客户端向主节点（Leader，或称Primary）发送交易请求。

  2. 预准备（Pre-Prepare）：主节点分配一个序列号（Sequence Number）给请求，然后广播一个预准备消息给所有副本节点（Replicas）。

  3. 准备（Prepare）：每个副本节点收到预准备消息后，验证其合法性。如果验证通过，则广播一个准备消息给所有其他节点。当一个节点收到 2f 个来自不同节点的、内容正确的准备消息（加上它自己的，共 2f+1 个）时，它就进入“准备”状态。

  4. 提交（Commit）：进入“准备”状态的节点广播一个提交消息给所有节点。当一个节点收到 2f 个内容正确的提交消息（加上它自己的，共 2f+1 个）时，它就知道足够多的节点已经达成了共识。此时，它正式提交（执行）该请求，并将结果写入本地状态。

  5. 回复（Reply）：节点执行完成后，向客户端发送回复。客户端收到 f+1 个相同的回复后，即可确认请求已被系统最终确认。

变种实现

1. Tendermint (如今称为 Ignite Core)

  • 所属类别： BFT-PoS

  • 创新性：

    1. 与权益证明（PoS）深度集成：验证者的权重由其质押的代币数量决定，而不是简单的节点数量。这使其非常适合无许可的公有链环境。

    2. 确定的最终性：继承了BFT的核心优势，一旦区块被确认（即收到超过 2/3 质押权重的预承诺），就是绝对最终的，不会有分叉。这提供了极佳的用户体验。

    3. 简化的共识轮次：它将PBFT的三阶段（预准备、准备、提交）合并为高度结构化的两阶段投票轮次（预投票和预提交），每一轮都需要 2/3 的多数同意才能进入下一轮。

  • 解决的问题：

    • 许可问题：通过PoS机制，任何人均可通过质押加入验证者集合，实现了去中心化的无许可网络。

    • 能量效率：取代了PoW的高耗能挖矿。

    • 明确的安全性：提供了明确的安全边界（能容忍少于1/3质押权重的恶意行为）。

  • 典型应用： Cosmos 生态系统。

2. HotStuff / LibraBFT

  • 所属类别： 流水线式BFT

  • 创新性：

    1. 线性视图变更和通信复杂度：这是最革命性的创新。HotStuff 将共识过程流水线化，并使用门限签名聚合投票。这使得每个视图切换期间的通信复杂度从 PBFT 的 O(n²)（每个节点都需要与其他所有节点通信）降低到 O(n)（每个节点只与主节点通信）。

    2. 模块化设计：将安全性、活性性和响应性分离，使得协议更易于理解和形式化验证。

    3. 优化主节点切换：视图变更变得非常高效，不再是一个容易导致系统停滞的“紧急事件”。

  • 解决的问题：

    • 扩展性瓶颈：大幅降低了大规模验证者集合下的通信开销，使节点数量可以扩展到数百个，而不会导致网络拥堵。

    • 性能：流水线设计使得出块速度更快，延迟更低。

  • 典型应用： Facebook 的 Diem（原Libra）, BNB Chain, Avalanche 的子网也受其影响。

3. DAG-based BFT (例如 Hashgraph)

  • 所属类别： 异步BFT

  • 创新性：

    1. 抛弃区块，拥抱DAG：不再使用传统的链式区块结构，而是采用有向无环图（DAG）来记录事件。每个事件都包含其父事件的哈希，并包含交易和签名。

    2. “流言协议”：节点之间随机地、持续地交换它们已知的信息（“流言”），最终所有信息会以极高的效率传播到整个网络。

    3. 虚拟投票：由于每个节点最终都会拥有几乎相同的DAG结构，它们可以本地计算出所有其他节点会如何投票，而无需实际广播投票消息。这消除了对投票阶段的所有网络通信。

  • 解决的问题：

    • 理论上的异步安全性：声称在真正的异步网络环境下（消息可以无限延迟）也是安全的。

    • 极致吞吐量：通过虚拟投票和DAG结构，理论上可以达到极高的交易吞吐量（TPS），因为通信开销极低。

  • 缺点/争议：

    • 专利限制：Hashgraph 由 Swirlds 公司申请专利，并非完全开源，这限制了其采用。

    • 复杂性：协议非常复杂，且其真正的异步安全性和性能需要更广泛的独立审查。

  • 典型应用： Hedera Hashgraph。

4. Avalanche Consensus

  • 所属类别： ** metastable 共识**

  • 创新性：

    1. 基于亚稳态和随机抽样的共识：它不像传统BFT那样让所有节点投票。相反，每个节点随机选择一小部分（例如20个）其他节点作为“抽样”，并询问他们对交易的偏好。根据收到的回复，节点更新自己的状态，并重复这个过程。经过几轮后，整个网络会以极高的概率收敛到同一状态。

    2. 无领导者：没有明确的主节点或提案者，所有节点并行工作，避免了主节点成为瓶颈或攻击目标。

    3. 可组合性：可以并行处理多个不相干的交易，极大提升了吞吐量。

  • 解决的问题：

    • 极致的扩展性：通信开销与节点数量成次线性关系，理论上可以支持成千上万的节点。

    • 低延迟：无需等待全球投票，快速收敛。

    • 灵活性：很容易创建自定义的子网（Subnets），每个子网可以有自己的验证者集合和规则。

  • 需要注意：Avalanche 提供的是一种概率最终性，而非传统BFT的绝对最终性。但随着共识轮次增加，交易被逆转的概率会呈指数级下降，直至可以忽略不计。

  • 典型应用： Avalanche 区块链平台。

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