CN110460484B - 一种基于pbft算法改进的单节点异常主动恢复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PBFT算法改进的单节点异常主动恢复方法，在一个由3f+1个节点组成的PBFT网络中，常常会因为网络延迟或者网络断开等原因导致单节点进入异常状态。异常节点首先发起视图变更请求，如果在规定时间内不能收到2f+1个包含相同视图值的视图变更请求，则异常节点进入待恢复状态，待恢复节点向全网所有节点发起恢复请求，等待正常节点的回复并进行计数，直到收集到2f+1个节点包含相同视图值的回复后计算出全网稳定检查点高度，进行状态更新最终完成恢复。该方法解决了PBFT算法中固有的单节点故障无法自主恢复的问题，大大提升了PBFT算法的实用性。

Description

一种基于PBFT算法改进的单节点异常主动恢复方法
技术领域
本发明涉及PBFT算法，尤其涉及一种基于PBFT算法改进的单节点异常主动恢复方法。
背景技术
PBFT是Practical Byzantine Fault Tolerance的缩写，即：实用拜占庭容错算法。该算法是Miguel Castro（卡斯特罗）和Barbara Liskov（利斯科夫）在1999年提出来的，解决了原始拜占庭容错算法效率不高的问题，算法的时间复杂度是O(n^2)，使得在实际***应用中可以解决拜占庭容错问题。为了能够容忍f个拜占庭节点的存在，PBFT要求全网至少要有3f+1个节点。
PBFT算法的正常共识流程分为3个阶段：Pre-Prepare、Prepare与Commit阶段。当主节点出现异常之后，从节点会主动触发视图变更切换主节点从而保证***对外的正常服务。但是，当节点因为短暂的与主节点失联导致该节点进入到视图变更状态之后，由于其他的节点依旧处于正常状态，因此该节点只能通过不断重发视图变更请求，直到全网进入到下一次的视图变更才能恢复正常，整个异常恢复的时间取决于全网下一次触发异常的时间，这种被动式地恢复对于实际应用而言显然是不实用的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于PBFT算法改进的单节点异常主动恢复方法，异常节点可以自主地触发异常恢复流程，大大减少了异常恢复的时间消耗，具体技术方案如下：
一种基于PBFT算法改进的单节点异常主动恢复方法，其特征在于，所述的PBFT算法中要求一个包含3f+1个节点的点对点网络，该网络最多能够容忍f个节点的拜占庭错误，该方法具体包括如下步骤：
S1：正常运行的节点因为网络原因发现***异常后，进入异常状态，即变成异常节点；
S2：所述的异常节点向全网所有节点发起视图变更请求，请求进入下一个视图；所述的S2中的视图变更请求包含本节点的ID、本节点推举的视图值、本节点的稳定检查点高度以及本节点的PQC信息；
S3：所述的异常节点在规定时间内等待其他节点的视图变更请求并进行计数，如果在规定时间内收到了2f+1个包含相同视图值的视图变更请求，则通过PBFT算法中的视图变更恢复方法完成恢复；如果在规定时间内没有收到2f+1个视图变更请求，则异常节点进入待恢复状态，即变成待恢复节点；
S4：所述的待恢复节点向全网所有节点发送恢复请求，该恢复请求中包括待恢复节点的ID；
S5：所述的待恢复节点在规定时间内等待其他节点的回复并进行计数，其中，其他的正常节点在收到所述的待恢复节点的恢复请求之后，返回自身的视图值以及稳定检查点高度、本节点的ID、本节点的PQC信息；如果所述的待恢复节点在规定时间内收到了2f+1个包含相同视图值的回复，则进入S6进行状态恢复；如果在规定时间内没有收到2f+1个包含相同视图值的回复，则返回到S4；
所述的PQC信息为Pre-Prepare消息、Prepare消息以及Commit消息；
S6：所述的待恢复节点根据2f+1个节点回复的检查点信息计算出全网稳定检查点高度，如果所述的待恢复节点的稳定检查点高度小于全网稳定检查点高度，则通过PBFT中的快速同步算法进行检查点恢复，恢复完成后进入S7进行最终恢复；否则，直接进入S7进行最终恢复；
S7：所述的待恢复节点向全网所有节点索取稳定检查点之后的PQC信息；
S8：其他的正常节点在收到索取PQC的请求后，返回自身稳定检查点之后的所有PQC信息；
S9：所述的待恢复节点根据收到的PQC回复信息进行重做，直至恢复到正常节点的高度，即完成异常恢复。
进一步地，所述的S2中的视图变更请求还包含本节点的签名信息。
进一步地，所述的S3与S5中，其特征在于，计数规则是一个节点只能计数一票，如果在规定时间内同时收到多次来自同一个节点的回复信息，也只能计数一次。
进一步地，所述的S4中的恢复请求中还包括待恢复节点的签名信息。其中，待恢复节点的签名信息用于验证节点的身份，防止恶意节点伪造恢复请求从而消耗正常节点的网络带宽。
进一步地，所述的S5中的其他正常节点回复信息中还包括本节点的签名信息。其中，所述的签名信息用于待恢复节点进行正常节点身份的验证，防止恶意节点伪造回复信息从而导致待恢复节点无法完成恢复。
进一步地，所述的S9中，所述的待恢复节点在收到PQC回复信息之后，只会重做自身高度以上的PQC信息，防止重复执行相同的PQC从而导致待恢复节点执行出错再次进入到异常状态。
本发明的有益效果如下：
本发明的方法在PBFT算法的基础上，新增了单节点异常恢复流程，异常节点分两步进行异常恢复，第一步沿用经典PBFT算法的视图变更方法进行异常恢复的尝试，如果恢复超时失败的话，则进入到第二步的单节点异常恢复方法，该方法通过获取2f+1个节点一致的视图值进行视图值的更新；并通过获取2f+1个节点的检查点高度进行检查点快速恢复，提升了恢复速度。本发明提出的基于PBFT算法改进的单节点异常主动恢复方法改进了经典PBFT算法单节点异常时被动式的恢复方法，大大提升了节点运行时的异常恢复速度，提升了PBFT算法的实用性。
附图说明
图1为单节点异常主动恢复的流程示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于PBFT算法改进的单节点异常主动恢复方法，所述的PBFT算法中要求一个包含3f+1个节点的点对点网络，该网络最多能够容忍f个节点的拜占庭错误，该方法具体包括如下步骤：
S1：正常运行的节点因为网络原因发现***异常后，进入异常状态，即变成异常节点。
S2：所述的异常节点向全网所有节点发起视图变更请求，请求进入下一个视图；所述的S2中的视图变更请求包含本节点的ID、本节点推举的视图值、本节点的稳定检查点高度以及本节点的PQC信息。
S3：所述的异常节点在规定时间内等待其他节点的视图变更请求并进行计数，如果在规定时间内收到了2f+1个包含相同视图值的视图变更请求，则通过PBFT算法中的视图变更恢复方法完成恢复；如果在规定时间内没有收到2f+1个视图变更请求，则异常节点进入待恢复状态，即变成待恢复节点。
该步骤中，异常节点首先尝试进行视图变更，如果全网有超过2f+1个节点尝试发起相同视图值的视图变更，则异常节点直接通过视图变更方法即可完成异常恢复，具体的，异常节点通过全网2f+1个节点推举的视图值确定新视图中的主节点，并等待新主节点发送确认消息，即可完成异常恢复；如果异常节点在规定时间内未能收到2f+1个节点的视图变更请求，则说明此时全网处于正常状态，仅有该节点处于异常状态，此时，异常节点直接进入待恢复状态，通过后续的恢复方法进行自主恢复，而无需沿用原PBFT算法中不断重发视图变更请求的方法被动地等待恢复。
S4：所述的待恢复节点向全网所有节点发送恢复请求，该恢复请求中包括待恢复节点的ID。
S5：所述的待恢复节点在规定时间内等待其他节点的回复并进行计数，其中，其他的正常节点在收到所述的待恢复节点的恢复请求之后，返回自身的视图值以及稳定检查点高度、本节点的ID、本节点的PQC信息；如果所述的待恢复节点在规定时间内收到了2f+1个包含相同视图值的回复，则进入S6进行状态恢复；如果在规定时间内没有收到2f+1个包含相同视图值的回复，则返回到S4。
所述的正常节点在收到待恢复节点的恢复请求后返回的视图值是用于保证待恢复节点能够获取到全网稳定的视图值，进行视图恢复，返回检查点高度是用于保证待恢复节点能够获取到全网最新的稳定检查点高度，进行检查点状态恢复。
所述的PQC信息为Pre-Prepare消息、Prepare消息以及Commit消息。
S6：所述的待恢复节点根据2f+1个节点回复的检查点信息计算出全网稳定检查点高度，如果所述的待恢复节点的稳定检查点高度小于全网稳定检查点高度，则通过PBFT中的快速同步算法进行检查点恢复，恢复完成后进入S7进行最终恢复；否则，直接进入S7进行最终恢复。
其中稳定检查点是本节点已经确认的全网超过2/3节点已经达到的高度，是PBFT算法中达到内存回收条件的高度值。
S7：所述的待恢复节点向全网所有节点索取稳定检查点之后的PQC信息。
S8：其他的正常节点在收到索取PQC的请求后，返回自身稳定检查点之后的所有PQC信息。
S9：所述的待恢复节点根据收到的PQC回复信息进行重做，直至恢复到正常节点的高度，即完成异常恢复。
由于PQC信息是PBFT算法中的三阶段共识消息，因此仅通过PQC信息就可以完全恢复到正常节点一致的高度。
优选地，所述的S2中的视图变更请求还包含本节点的签名信息。
优选地，所述的S3与S5中，计数规则是一个节点只能计数一票，如果在规定时间内同时收到多次来自同一个节点的回复信息，也只能计数一次。
优选地，所述的S4中的恢复请求中还包括待恢复节点的签名信息。其中，待恢复节点的签名信息用于验证节点的身份，防止恶意节点伪造恢复请求从而消耗正常节点的网络带宽。
优选地，所述的S5中的其他正常节点回复信息中还包括本节点的签名信息。其中，所述的签名信息用于待恢复节点进行正常节点身份的验证，防止恶意节点伪造回复信息从而导致待恢复节点无法完成恢复。
优选地，所述的S9中，所述的待恢复节点在收到PQC回复信息之后，只会重做自身高度以上的PQC信息，防止重复执行相同的PQC从而导致待恢复节点执行出错再次进入到异常状态。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于PBFT算法改进的单节点异常主动恢复方法，其特征在于，所述的PBFT算法中要求一个包含3f+1个节点的点对点网络，该网络最多能够容忍f个节点的拜占庭错误，该方法具体包括如下步骤：
S1：正常运行的节点因为网络原因发现***异常后，进入异常状态，即变成异常节点；
S2：所述的异常节点向全网所有节点发起视图变更请求，请求进入下一个视图；所述的S2中的视图变更请求包含本节点的ID、本节点推举的视图值、本节点的稳定检查点高度以及本节点的PQC信息；
S3：所述的异常节点在规定时间内等待其他节点的视图变更请求并进行计数，如果在规定时间内收到了2f+1个包含相同视图值的视图变更请求，则通过PBFT算法中的视图变更恢复方法完成恢复；如果在规定时间内没有收到2f+1个视图变更请求，则异常节点进入待恢复状态，即变成待恢复节点；
所述的视图变更恢复方法为异常节点通过全网2f+1个节点推举的视图值确定新视图中的主节点，并等待新主节点发送确认消息，即可完成异常恢复；
S4：所述的待恢复节点向全网所有节点发送恢复请求，该恢复请求中包括待恢复节点的ID；
S5：所述的待恢复节点在规定时间内等待其他节点的回复并进行计数，其中，其他的正常节点在收到所述的待恢复节点的恢复请求之后，返回自身的视图值以及稳定检查点高度、本节点的ID、本节点的PQC信息；如果所述的待恢复节点在规定时间内收到了2f+1个包含相同视图值的回复，则进入S6进行状态恢复；如果在规定时间内没有收到2f+1个包含相同视图值的回复，则返回到S4；
所述的PQC信息为Pre-Prepare消息、Prepare消息以及Commit消息；
S6：所述的待恢复节点根据2f+1个节点回复的稳定检查点高度计算出全网稳定检查点高度，如果所述的待恢复节点的稳定检查点高度小于全网稳定检查点高度，则通过PBFT算法中的快速同步算法进行检查点恢复，恢复完成后进入S7进行最终恢复；否则，直接进入S7进行最终恢复；所述的稳定检查点高度是本节点已经确认的全网超过2/3节点已经达到的高度，是PBFT算法中达到内存回收条件的高度值；
S7：所述的待恢复节点向全网所有节点索取稳定检查点高度之后的PQC信息；
S8：其他的正常节点在收到索取PQC信息的请求后，返回自身稳定检查点高度之后的所有PQC信息；
S9：所述的待恢复节点根据收到的PQC回复信息进行重做，直至恢复到正常节点的高度，即完成异常恢复。
2.根据权利要求1所述的基于PBFT算法改进的单节点异常主动恢复方法，其特征在于，所述的S2中的视图变更请求还包含本节点的签名信息。
3.根据权利要求1所述的基于PBFT算法改进的单节点异常主动恢复方法，其特征在于，所述的S3与S5中，计数规则是一个节点只能计数一票，如果在规定时间内同时收到多次来自同一个节点的回复信息，也只能计数一次。
4.根据权利要求1所述的基于PBFT算法改进的单节点异常主动恢复方法，其特征在于，所述的S4中的恢复请求中还包括待恢复节点的签名信息。
5.根据权利要求1所述的基于PBFT算法改进的单节点异常主动恢复方法，其特征在于，所述的S5中的其他正常节点回复信息中还包括本节点的签名信息。
6.根据权利要求1所述的基于PBFT算法改进的单节点异常主动恢复方法，其特征在于，所述的S9中，所述的待恢复节点在收到PQC回复信息之后，只会重做自身高度以上的PQC信息，防止重复执行相同的PQC从而导致待恢复节点执行出错再次进入到异常状态。
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