PBFT 算法的java实现（上）
在这篇博客中，我会通过Java 去实现PBFT中结点的加入，以及认证。其中使用socket实现网络信息传输。
关于PBFT算法的一些介绍，大家可以去看一看网上的博客，也可以参考我的上上一篇博客，关于怎么构建P2P网络可以参考我的上一篇博客。
该项目的地址：GitHub
使用前的准备
使用maven构建项目，当然，也可以不使用，这个就看自己的想法吧。
需要使用到的Java包：
- t-io：使用t-io进行网络socket通信，emm，这个框架的文档需要收费（699RMB），但是这里我们只是简单的使用，不需要使用到其中很复杂的功能。
- fastjson：Json 数据解析
- lombok：快速的get，set以及toString
- hutool：万一要用到呢？
- lombok：节省代码
- log4j：日志
- guava：Google的一些并发包
结点的数据结构
首先的首先，我们需要来定义一下结点的数据结构。
首先是结点Node的数据结构：
@Data
public class Node extends NodeBasicInfo{
/**
* 单例设计模式
* @return
*/
public static Node getInstance(){
return node;
}
private Node(){}
private static Node node = new Node();
/**
* 判断结点是否运行
*/
private boolean isRun = false;
/**
* 视图状态，判断是否ok，
*/
private volatile boolean viewOK;
}
@Data
public class NodeBasicInfo {
/**
* 结点地址的信息
*/
private NodeAddress address;
/**
* 这个代表了结点的序号
*/
private int index;
}
@Data
public class NodeAddress {
/**
* ip地址
*/
private String ip;
/**
* 通信地址的端口号
*/
private int port;
}
上面的代码看起来有点多，但实际上很少（上面是3个类，为了展示，我把它们放在了一起）。上面定义了Node应该包含的属性信息：ip，端口，序列号index，view是否ok。
结点的信息很简单。接下来我们就可以看一看PbftMsg的数据结构了。PbftMsg代表的是进行Pbft算法发送信息的数据结构。
@Data
public class PbftMsg {
/**
* 消息类型
*/
private int msgType;
/**
* 消息体
*/
private String body;
/**
* 消息发起的结点编号
*/
private int node;
/**
* 消息发送的目的地
*/
private int toNode;
/**
* 消息时间戳
*/
private long time;
/**
* 检测是否通过
*/
private boolean isOk;
/**
* 结点视图
*/
private int viewNum;
/**
* 使用UUID进行生成
*/
private String id;
private PbftMsg() {
}
public PbftMsg(int msgType, int node) {
this.msgType = msgType;
this.node = node;
this.time = System.currentTimeMillis();
this.id = IdUtil.randomUUID();
this.viewNum = AllNodeCommonMsg.view;
}
@Override
public boolean equals(Object o) {
if (this == o) {
return true;
}
if (o == null || getClass() != o.getClass()) {
return false;
}
PbftMsg msg = (PbftMsg) o;
return node == msg.node &&
time == msg.time &&
viewNum == msg.viewNum &&
body.equals(msg.body) &&
id.equals(msg.id);
}
@Override
public int hashCode() {
return Objects.hash(body, node, time, viewNum, id);
}
}PBFTMSG这里我只是简单的定义了一下，并不是很严谨。在这里主要说下重要的属性：
msgType代表的是Pbft算法的消息类型，因为pbft算法有不同类型的请求消息。
同样，我们需要保存一些状态数据：
public class AllNodeCommonMsg {
/**
* 获得最大失效结点的数量
*
* @return
*/
public static int getMaxf() {
return (size - 1) / 3;
}
/**
* 获得主节点的index序号
*
* @return
*/
public static int getPriIndex() {
return (view + 1) % size;
}
/**
* 保存结点对应的ip地址和端口号
*/
public static ConcurrentHashMap<Integer, NodeBasicInfo> allNodeAddressMap = new ConcurrentHashMap<>(2 << 10) ;
/**
* view的值，0代表view未被初始化
* 当前视图的编号，通过这个编号可以算出主节点的序号
*/
public volatile static int view = 0;
/**
* 区块链中结点的总结点数
*/
public static int size = allNodeAddressMap.size()+1;
}
逻辑流程
上面的定义看一看就行了，在这里我们主要是理解好PBFT算法的流程。在下面我们将好好的分析一下PBFT算法的流程。
合抱之木始于毫末,万丈高楼起于垒土。所有所有的开始，我们都需要从节点的加入开始说起。
在前前面的博客，我们知道一个在PBFT算法中有一个主节点，那么主节点是怎么出来的呢？当然是通过view算出来的。
设：结点数为N，当前视图为view，则主结点的id为：
$$primaryId = (view +1) mod N$$
因此，当一个节点启动的时候，他肯定是迷茫的，不知道自己是谁，这个时候就需要找一个节点问问目前是什么情况，问谁呢？肯定是问主节点，但是主节点是谁呢？在区块链中的节点当然都知道主节点是谁。这个时候，新启动的节点（姑且称之为小弟）就会向所有的节点去询问：大哥们，你们的view是多大啊，能不能行行好告诉小弟我！然后大哥们会将自己的view告诉小弟。但是小弟又担心大哥们骗他给他错误的view，所以决定当返回的view满足一定的数量的时候，就决定使用该view。
那么这个一定数量是多少呢？
quorum：达到共识需要的结点数量 $quorum = \lceil \frac {N + f +1 }{2 }\rceil $
说了这么多理论方面的东西，现在让我们来讲一讲代码方面是怎么考虑。
定义好两个简单的数据结构，我们就可以来想一想Pbft算法的流程了。
代码流程
首先的首先，我们先定义：节点的序号从0开始，view也从0开始，当然这个时候size肯定不是0，是1。so，主节点的序号是$primaryId = (0+1)%1 = 0$。
既然我们使用socket通信，使用的是t-io框架。我们就从服务端和客户端的方面来理解这个view的获取过程。神笔马良来了！！
这个从socket的角度的解释下过程。
首先区块链中的节点作为服务端，新加入的节点叫做客户端（遵循哲学态度，client发送请求询问server）。因为有多个server，因此对于D节点来说，就需要多个客户端分别对应不同的服务端发送请求。然后服务端将view返回给client。
然后说下代码，服务端接受到client发送的请求后，就将自己的view返回给client，然后client根据view的num决定哪一个才是真正的view。这里可以分为3个步骤：客户端请求view，服务端返回view，客户端处理view。
客户端请求view：
/**
* 发送view请求
*
* @return
*/
public boolean pubView() {
log.info("结点开始进行view同步操作");
// 初始化view的msg
PbftMsg view = new PbftMsg(MsgType.GET_VIEW, node.getIndex());
// 将消息进行广播
ClientUtil.clientPublish(view);
return true;
}
上面的代码很简单，就是客户端向服务端广播PbftMsg，然后该消息的类型是GET_VIEW类型（也就是告诉大哥们，我是来请求view的）。
既然客户端广播了PBFT消息，当然服务端就会接受到。
下面是server端的代码，至于服务端是怎么接收到的，参考我的上一篇博客，或者别人的博客。当服务端接受到view的请求消息后，就会将自己的view发送给client。
/**
* 将自己的view发送给client
*
* @param channelContext
* @param msg
*/
private void onGetView(ChannelContext channelContext, PbftMsg msg) {
log.info("server结点回复视图请求操作");
int fromNode = msg.getNode();
// 设置消息的发送方
msg.setNode(node.getIndex());
// 设置消息的目的地
msg.setToNode(fromNode);
// 设置消息的view
msg.setViewNum(AllNodeCommonMsg.view);
String jsonView = JSON.toJSONString(msg);
MsgPacket msgPacket = new MsgPacket();
try {
msgPacket.setBody(jsonView.getBytes(MsgPacket.CHARSET));
// 将消息发送给client
Tio.send(channelContext, msgPacket);
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
log.error(String.format("server结点发送view消息失败%s", e.getMessage()));
}
}然后是client接受到server返回的消息，然后进行处理。
/**
* 获得view
*
* @param msg
*/
private void getView(PbftMsg msg) {
// 如果节点的view好了，当然也就不要下面的处理了
if (node.isViewOK()) {
return;
}
// count代表有多少位大哥返回该view
long count = collection.getViewNumCount().incrementAndGet(msg.getViewNum());
// count >= 2 * AllNodeCommonMsg.getMaxf()则代表该view 可以
if (count >= 2 * AllNodeCommonMsg.getMaxf() + 1 && !node.isViewOK()) {
collection.getViewNumCount().clear();
node.setViewOK(true);
AllNodeCommonMsg.view = msg.getViewNum();
log.info("视图初始化完成OK");
}
}在这里大家可能会发现一个问题，我在第二个if中还是使用了
!node.isViewOK()。那是因为我发现在多线程的情况下，即使view设置为true了，下面的代码还是会执行，也就是说log.info("视图初始化完成OK");会执行两次，因此我又加了一个view检测。
同样，我们可以来实现一下视图变更（ViewChange）的算法。
什么时候会产生viewChange呢？当然是主节点失效的时候，就会进行viewchange的执行。当某一个节点发现主节点失效时（也即是断开连接的时候），他就会告诉所有的节点（进行广播）：啊！！不好了，主节点GG了，让我们重新选择一个主节点吧。因此，当节点收到quorum个重新选举节点的消息时，他就会将改变自己的视图。
这里有一个前提，就是当主节点和客户端断开的时候，客户端会察觉到。
client的代码：
重新选举view就是将目前的veiw+1，然后讲该view广播出去。
/**
* 发送重新选举的消息
* 这个onChangeView是通过其它函数调用的，msg的内容如下所示
* PbftMsg msg = new PbftMsg(MsgType.CHANGE_VIEW,node.getIndex());
*/
private void onChangeView(PbftMsg msg) {
// view进行加1处理
int viewNum = AllNodeCommonMsg.view + 1;
msg.setViewNum(viewNum);
ClientUtil.clientPublish(msg);
}服务端代码：
服务端代码和前面的的代码很类似。
/**
* 重新设置view
*
* @param channelContext
* @param msg
*/
private void changeView(ChannelContext channelContext, PbftMsg msg) {
if (node.isViewOK()) {
return;
}
long count = collection.getViewNumCount().incrementAndGet(msg.getViewNum());
if (count >= 2 * AllNodeCommonMsg.getMaxf() + 1 && !node.isViewOK()) {
collection.getViewNumCount().clear();
node.setViewOK(true);
AllNodeCommonMsg.view = msg.getViewNum();
log.info("视图变更完成OK");
}
}总结
在这里，大家可能会有个疑惑，为什么进行广播消息不是使用服务端去广播消息，反而是使用client一个一个的去广播消息。原因有一下两点：
-
因为没有购买t-io文档，因此我也不知道server怎么进行广播消息。因为它取消了学生优惠，现在需要699￥，实在是太贵了（当然这个贵是针对与我而言的，不过这个框架还是真的挺好用的）舍不得买。
-
为了是思路清晰，client就是为了请求数据，而server就是为了返回数据。这样想的时候，不会是自己的思路断掉
在这里为止，我们就简单的实现了节点加入和view的变迁（当然是最简单的实现，emm，大佬勿喷）。在下篇博客中，我将会介绍共识过程的实现。如果这篇博客有错误的地方，望大佬指正。可以在评论区留言或者邮箱联系。
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来源：oschina
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