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为什么PBFT需要View Changes

前言

在当前的PBFT资料中,尤其是中文资料,多数都在介绍PBFT的3阶段消息过程,很少提及View Changes(视图切换),View Changes对PBFT的重要性,如同Leader Election对Raft的重要性,它是一个一致性算法中,不可或缺的部分。

作者为大家介绍下,为什么View Changes如此重要,即为什么PBFT需要View Changes,以及View Changes的原理。

为什么PBFT需要View Changes

一致性算法都要提供:

  • safety :原意指不会出现错误情况,一致性中指操作是正确的,得到相同的结果。
  • liveness :操作过程能在有限时间内完成。

一致性协议需要满足的特性

safety通常称为一致性,liveness通常称为可用性,没有liveness的一致性算法无法长期提供一致性服务,没有safety的一致性算法称不上一致性算法,所以,所有的一致性算法都在做二者之间的折中。

所以对一致性和可用性不同的要求,就出现了你常听见的ACID原理、CAP理论、BASE理论。

PBFT作为一个一致性算法,它也需要提供一致性和可用性。在为什么PBFT需要3个阶段消息中,介绍了PBFT算法的如何达成一致性,并且请求可以在有限时间内达成一致,客户端得到响应,也满足可用性。

但没有介绍,当遇到以下情况时,是否还能保住一致性和可用性呢?

  1. 主节点是拜占庭节点(宕机、拒绝响应…)
  2. 主节点不是拜占庭节点,但非拜占庭副本节点参与度不足,不足以完成3阶段消息
  3. 网络不畅,丢包严重,造成不足以完成3阶段消息

在以上场景中,新的请求无法在有限时间内达成一致,老的数据可以保持一致性,所以一致性是可以满足的,但可用性无法满足。必须寻找一个方案,恢复集群的可用性。

PBFT算法使用View Changes,让集群重新具有可用性。通过View Changes,可以选举出新的、让请求在有限时间内达成一致的主节点,向客户端响应,从而满足可用性的要求。

让集群重新恢复可用,需要做到什么呢?让至少f+1个非拜占庭节点迁移到,新的一致的状态。然后这些节点,运行3阶段消息协议,处理新的客户端请求,并达成一致。

不同版本的View Changes协议有什么不同?

PBFT算法有1999年和2001年2个版本:

PBFT-PR并非只是在PBFT上增加了PR,同时也对PBFT算法做了详细的介绍和改进,View Changes的改进就是其中一项。

PBFT中View Changes介绍比较简单,没有说明以下场景下,View Changes协议如何处理:

  • 如果下一个View的主节点宕机了怎么办
  • 如果下一个View的主节点是恶意节点,作恶怎么办
  • 如果非拜占庭恶意发起View Changes,造成主节点切换怎么办?
  • 如果参与View Changes的节点数量不足怎么办

如果,以上场景下,节点处在View Changes阶段,持续的等待下去,就无法恢复集群的可用性。

PBFT-PR中的View Changes协议进行了细化,可以解决以上问题。

2001年版本View Changes协议原理

每个主节点都拥有一个View,就如同Raft中每个leader都拥有1个term。不同点是term所属的leader是选举出来的,而View所属的主节点是计算出的: primary = v % R,R是运行PBFT协议的节点数量。

View Changes的战略是:当副本节点怀疑主节点无法让请求达成一致时,发起视图切换,新的主节点收集当前视图中已经Prepared,但未Committed的请求,传递到下一个视图中,所有非拜占庭节点基于以上请求,会达到一个新的、一致的状态。然后,正常运行3阶段消息协议。

为什么要包含已经Prepared,但未Committed的请求?如果一个请求,在副本节点i上,已经是Prepared状态,证明至少f+1的非拜占庭节点,已经拥有此请求并赞成请求req在视图v中使用序号n。如果没有问题,不发生视图切换,这些请求可以在有限的时间内达成一致,新的主节点把已经Prepared的请求,带到新的view,并证明给其他节点,请求已经Prepared,那只需1轮Commit就可以达成一致。

View Changes主要流程简介

对View Changes的流程可以分为2部分:

  • View Changes的开端,即每一次View的开始
  • View Changes的中间过程,以及View Changes的结束,切换到正常流程

这2部分分别占据了下图的左右两部分。实线代表流程线,虚线代表网络消息。蓝色代表正常操作流程(三阶段消息:Preprepare、Prepare、Commit),青色代表View Changes流程,蓝青相接就是正常流程和View Changes流程切换的地方。

View Changes的开端流程是通用的,主节点和副本节点都遵守这一流程:新视图:v=v+1,代表一个新的View开始,指向它的每一个箭头,都是视图切换的一种原因。某个副本节点,新视图的开始,还伴随着广播view-change消息,告诉其他节点,本节点开启了一个新的视图。

主节点是通过公式算出来的,其余为副本节点,在View Changes流程中,副本节点会和主节点交互,共同完成View Changes过程。副本节点会对收到的view-change消息进行检查,然后把一条对应的view-change-ack消息发送给主节点,主节点会依赖收到的view-change消息和view-change-ack消息数量和内容,产生能让所有节点移动到统一状态的new-view消息,并且对new-view消息进行3阶段共识,即对new-view消息达成一致,从而让至少f+1个非拜占庭节点达成一致。

View Changes的开端

View Change的核心因素只有一个:怀疑当前的主节点在有限的时间内,无法达成一致。

具体有4个路径:

  1. 正常阶段定时器超时,代表一定时间内无法完成Pre-prepare -> Prepare -> Commit
  2. View Changes阶段定时器超时,代表一定时间内无法完成正在进行的View Change
  3. 定时器未超时,但有效的view-change消息数量达到f+1个,代表当前已经有f+1个非拜占庭节点发起了新的视图切换,本节点为了不落后,不等待超时而进入视图切换
  4. new-view消息不合法,代表当前View Changes阶段的主节点为拜占庭节点

图中【正常阶段定时器超时】被标记为蓝色,是因为它是正常阶段进入视图切换阶段的开端,【有效的view-change消息数量达到f+1个】即有可能是正常阶段的定时器,也有可能是视图切换过程中的定时器,所以颜色没做调整。

主副节点主要交互流程

视图切换过程中有3个消息:view-change消息、view-change-ack消息和new-view消息,下文围绕这3个消息,对主副节点的交互流程做详细介绍。

view-change消息阶段

在view v时,副本节点怀疑主节点fault时,会发送view-change消息,该消息包含:

  1. h:副本i最新的稳定检查点序号
  2. C:副本i保存的h之后的(非稳定)检查点
  3. P和Q
  4. i:副本i
  5. α:副本i对本消息的数字签名

P和Q是2个集合。

P是已经Prepared消息的信息集合:消息既然已经Prepared,说明至少2f+1的节点拥有了消息,并且认可<view, n, d>,即为消息分配的view和序号,只是还差一步commit阶段就可以完成一致性确认。P中包含的就是已经达到Prepared的消息的摘要d,无需包含完整的请求消息。新的view中,这些请求会使用老的序号n,而无需分配新的序号。

Q是已经Pre-prepared消息的信息集合,主节点已经发送Pre-prepare或副本节点i为请求已经发送Prepare消息,证明该节点认可<n, d, v>

P、Q中的请求都是高低水位之间的,无View Changes时,P、Q都是空的,也就是说不包含已经committed的请求。new-view消息中的数据(View Changes的决策结果),都是基于P、Q集合计算出的。

在发送view-change消息前,副本节点会利用日志中的三阶段消息计算P、Q集合,发送view-change消息后,就删除日志中的三阶段消息。

view-change-ack消息阶段

视图v+1的主节点在收到其他节点发送的view-change消息后,并不确认view-change消息是是否拜占庭节点发出的,即不确定消息是否是正确无误的,如果基于错误的消息做决策,就会得到错误的结果,违反一致性:一切操作都是正确的。

设置view-change-ack消息的目的是,让所有副本节点对所有它收到的view-change消息进行检查和确认,只不过确认的结果都发送给新的主节点。主节点统计ack消息,可以辨别哪些view-change是正确的,哪些是拜占庭节点发出的。

副本节点会对view-change消息中的P、Q集合进行检查,要求集合中的请求消息小于等于视图v,满足则发送view-change-ack消息:

  1. v:v+1
  2. i:发送ack消息的副本序号
  3. j:副本i要确认的view-change消息的发送方
  4. d:副本i要确认的view-change消息的摘要
  5. μip:i向主节点p发送消息的通信密钥计算出的MAC,这里需要保证i和p之间通信的私密性,所以不使用数字签名

new-view消息阶段

新视图主节点p负责基于view-change消息做决策,决策放到new-view消息中。

主节点p维护了一个集合S,用来存放正确的view-change消息。只有view-change消息,以及为该消息背书的view-change-ack消息达到2f-1个时,view-change消息才能加入到集合S,但view-change-ack消息不加入集合S。

当集合S的大小达到2f+1时,证明有足够多的非拜占庭节点认为需要进行视图变更,并提供了变更的依据:2f+1个view-change消息,主节点p使用S做决策。以下便是决策逻辑

主节点p先确定h:所有view-change消息中最大的稳定检查点。h和h+L其实就是高低水位。

然后依次检查h到h+L中的每一个序号n,对序号n对于的请求进行的处理为:请求m已经Prepared并且Pre-prepared,则收集序号n对应的请求。否则,说明没有请求在序号n能达到committed,为序号n分配一个空请求,并收集起来。它们最后会被放到new-view消息的X集合中。

主节点会创建new-view消息:

  • view:当前新视图的编号
  • V:是一个集合,每个元素是一对(i, d),代表i发送的view-change消息摘要是d,每一对都与集合S中消息对应,可以使用V证明主节点是在满足条件下,创建new-view消息的,即V是新视图的证明。因为其它多数副本节点已经接收view-change消息,所以此处发送消息的摘要做对比即可。
  • X:是一个集合,包含检查点以及选定的请求
  • α:主节点p对new-view消息的数字签名

之后,主节点会把new-view消息广播给每一个副本节点。

处理new-view消息

主节点处理new-view消息

在发生View Changes时,主节点的状态可能也不是最全的,如果它没有X结合中的请求或者检查点,它可以从其他节点哪拉去。

主节点需要使用new-view消息,达到视图切换的最后一步状态:在新视图v+1中,让集合X中的请求,全部是Pre-prepared状态。为何是Pre-prepared状态呢?因为new-view消息,可以看做一次特殊的Pre-prepare消息。

为什么不直接标记为Committed呢?因为主节点也可能是拜占庭节点,副本节点需要检查new-view消息,向所有节点广播自己检查的结果,满足条件后才能达成一致性。

副本节点处理new-view消息

副本节点在视图v+1,会持续接收view-change消息和new-view消息,它会把new-view消息V集合中的view-change消息,跟它收到的消息做对比,如果它本地不存在某条view-change消息,它可以要求主节点向他提供view-change消息和view-change-ack消息集合,证明至少f+1个非拜占庭副本节点收到过此view-change消息。

副本节点拥有所有的view-change消息之后,副本节点会和主节点运行相同的决策逻辑,以校验new-view消息的正确性。

如果new-view消息是正确的,副本节点会和主节点一样移动到相同的状态,然后广播一条Prepare消息给所有节点,这样就恢复到了正常情况下的:Pre-prepare -> Prepare -> Commit 一致性逻辑。这样就完成了从View Changes到正常处理流程的迁移。

如果new-view消息是错误的,说明主节点p是拜占庭节点,副本节点会直接进入v+2,发送view-change消息,进行新的一轮视图切换。

View Changes如何提供liveness

在一轮视图切换无法完成的时候,会开启新的一轮视图切换,由于拜占庭节点的数量最多为f个,最终会在某一轮视图切换中,能够完成视图切换,所有非拜占庭节点达成一致的状态,保证liveness和safety。

本文前面列出了几种异常情况,下面就看一下View Changes是如何应对这些异常情况的,以及如何提供活性。

Q1:如果下一个View的主节点宕机了怎么办?

A1:副本节点在收集到2f+1个view-change消息后,会启动定时器,超时时间为T,新view的主节点宕机,必然会导致定时器超时时,未能完成View Changes流程,会进入新一轮视图切换。

Q2:如果下一个View的主节点是恶意节点,作恶怎么办?

A2:新view的主节点是恶意节点,如果它做恶了,生成的new-view消息不合法,副本节点可以检测出来。或者new-view消息是合法的,但它只发送给了少数副本节点,副本节点在对new-view消息进行正常的3阶段流程,参与的节点太少,在定时器超时前,不足以完成3阶段流程,副本节点会进入下一轮视图切换。

Q3:如果非拜占庭恶意发起View Changes,造成主节点切换怎么办?

A3:定时器未超时情况下,只有有效的f+1个view-change消息,才会引发其他副本节点进行主节点切换,否则无法造成主节点切换。但PBFT的前提条件是恶意节点不足f个,所以只有恶意节点发起view-change消息时,无法造成主节点切换。

Q4:如果参与View Changes的节点数量不足怎么办?

A4:这个问题可以分几种情况。

  • 发起view-change的节点数量不足f+1个,这种情况不会发生整个集群的视图切换。
  • 视图切换过程中,不满足各节点的数量要求,无法完成本轮视图切换,会进入下一轮视图切换。

结语

View Changes是PBFT中一个重要的环节,它能保证整个协议的liveness,是PBFT不可或缺的一部分。

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