#区块链，#实用拜占庭容错，#PBFT, #共识协议，#快速分析框架
区块链技术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。从 1982 年拜占庭将军问题，到 1999 年第一个实用的 BFT 协议PBFT，越来越多的区块链共识协议被提出。这些五花八门的协议虽然促进了区块链共识领域的探索和发展，却也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，更不用说为特定的应用场景定制最佳的区块链共识协议。为了更好地理解、评估、选择和定制区块链共识协议，本文以 PBFT 这一经典的BFT共识协议为基准，对现有区块链共识协议进行了全面系统的分析。我们将现有区块链共识协议的设计理念分为两大类：基础共识流程重设计 (redesign of fundamental consensus processes, RFCP) 和可叠加优化机制 (addition of supplementary optimization mechanisms, ASOM)。对于RFCP，我们参考PBFT的共识流程，分析了其设计要素，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，我们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，我们提出了一个详细的快速分析框架，用于评估或设计特定的区块链共识协议。(1) 我们以PBFT为基础，提出了基础共识流程的重设计思路（RFCP），并将其解构为三个核心组件：提交阶段数、副本数和视图更改协议。我们系统地探索了这些元素之间的相互作用，识别了影响提交阶段数变化的因素，推导出控制副本数量的数学约束，并剖析了视图更改协议的消息结构。设计一个正确的区块链共识协议需要把握这些要素之间的匹配关系，本文对它们的相互依赖性进行严格的描述。(2) 我们总结了可叠加优化机制（ASOM），这些机制独立于基础共识流程运行。具体而言，我们列举了五种机制，这些机制可以叠加在基础共识流程之上，以在不改变共识基础共识流程的情况下提升协议性能。(3) 我们提出了一个用于评估和设计区块链共识协议的快速分析框架。该框架将影响基本共识流程的设计选择分解为原子组件，并详细说明其对基础流程参数的影响。通过排列组合和过滤，本方案生成所有可行的协议变体及其相关的性能指标，并结合 ASOM，进一步扩展了设计空间，从而支持创建更多协议变体。这种方法可以高效地分析现有协议，并有助于设计定制协议以满足特定的应用需求。本文提出了一个用于快速分析区块链共识协议的框架。该框架以拜占庭容错 (PBFT) 为基准，将影响基本共识流程的优化措施分为五类，如表1所示。通过该类优化机制的组合与筛选，我们可以得到共识协议基础流程的多种变体，如表2所示。此外，本文还列出了 5 个不影响基本共识流程的优化机制（可叠加的优化措施），如表3所示。当对表2中的变体实施可叠加的优化措施，可以进一步生成数百种共识协议的变体。该框架可以帮助研究人员评估、选择或定制适用于特定场景的区块链共识协议。本文即将出版在Science China Information Sciences 2026年69卷第1期。Citation Feng L L, Fu X, Wang H M, et al. From PBFT to the present: a thorough overview of blockchain consensus protocols. Sci China Inf Sci, 2026, 69(1): 111102, https://doi.org/10.1007/s11432-024-4431-y