从PBFT至今: 拜占庭容错共识协议深入解读

比特币的巨大成功导致其底层技术区块链备受关注，当前已经被广泛应用于各种场景，促使人们不断追求更高效、节能和安全的区块链共识协议. 拜占庭容错 (Byzantine Fault Tolerance, BFT) 共识是一种有效的区块链共识解决方案. 自1999年第一个实用的 BFT 协议 PBFT提出至今，基于该协议的众多复杂变体协议被提出，导致区块链行业的相关人员对BFT协议的评估和选择变得愈加困难，更不用说为特定的区块链应用场景定制高效的共识协议. 为了更好地理解、评估、选择和定制区块链共识协议，有必要对各类BFT变体进行系统性地梳理与评估. 通过给出不同优化思路在正确性（安全性和活性）上的直观解释，帮助新入门的研究者快速把握共识协议的核心设计理念，也便于从业者根据具体应用场景选择适合共识协议. 本文系统回顾并分析了PBFT共识协议及其变体，旨在全面梳理BFT共识协议的设计思路，提出一种快速分析区块链BFT共识协议的技术框架. 本文将现有区块链BFT共识协议的设计理念分为两大类：基于PBFT协议基础共识流程的重设计 (Redesign of Fundamental Consensus Processes, RFCP) 和不影响共识基础流程的可叠加优化机制 (Addition of Supplementary Optimization Mechanisms, ASOM). 对于RFCP，本文以PBFT的共识流程为基准，分析了区块链BFT共识协议的重要设计要素，例如提交阶段的数量、副本数量以及视图更改策略. 这些结构元素相互作用，影响协议的基本原理和正确性. 对于ASOM，本文概述了若干优化措施，例如基于委员的共识、乐观机制和流水线技术，这些优化措施可以在不影响基本共识流程的情况下进行叠加. 最后，本文提出了一个快速共识分析与生成框架，用于评估或设计特定的区块链BFT共识协议.