深刻 Tendermint —— 共識算法

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在以前的分享中，咱們有總體介紹過 Tendermint 實現跨鏈的整個流程，以及他的易使用，易理解，高性能的相關特色（可參考以前的文章《Tendermint 介紹及實戰分析》）。而且簡要的介紹了Tendermint 共識算法，狀態機複製及 ABCI 接口的相關知識。基於上次的分享，今天咱們從根本原理上，來着重剖析 Tendermint 業務邏輯中最複雜，也是最重要的環節——共識算法。

咱們知道分佈式一致性算法通常能夠分爲兩類：拜占庭容錯和非拜占庭容錯。非拜占庭容錯算法如 Paxos, Raft 等在當前的分佈式系統中已經普遍使用，而拜占庭容錯算法的實際應用範圍相對來講小不少(特別是在區塊鏈問世以前)。Tendermint 屬於拜占庭容錯算法，它針對傳統的PBFT算法作了優化，只須要有兩輪投票便可達成共識，目前 Tendermint 算法主要應用在區塊鏈系統中。

Round-based協議

首先咱們先說一下Round-based協議。在Tendermint中一共有三種類型的投票：prevote,precommit和commit。當一個block被全網絡commit的話，意味着這個block已經被全網超過2/3的Validator簽名並廣播了。

vote數據結構以下：

在鏈達到一個新的 Height 時候，系統會運行一個 round-based 協議來決定下一個block。round-based 協議由如下三個步驟構成：proposal，prevote，precommit。以及兩個特殊步驟：commit，NewHeight。其中 propose，prevote 和 precommit 會分別佔用整個 round 1/3時間。每一 round 的時間會比上一 round 的時間長一點，這是爲了讓網絡在部分同步的狀況下最終達成一致性共識。

round-based 協議運行過程以下：

round-based 協議是一個狀態機，主要有 NewHeigh -> Propose -> Prevote -> Precommit -> Commit 一共 5 個狀態。上述每一個狀態都被稱爲一個 Step。首尾的 NewHeigh 和 Commit ，這兩個 Steps 被稱爲特殊的 Step。而中間循環三個 Steps 則被稱爲一個 Round，是共識階段，也是算法的核心原理所在。一個塊的最終提交（Commit）可能須要多個 Round 過程，這是由於有許多緣由可能會致使當前 Round 不成功（好比出塊節點 Offline，提出的塊是無效塊，收到的 Prevote 或者 Precommit 票數不夠 +2/3 等等）。出現這些狀況的話，解決方案就是移步到下一輪，或者增長 timeout 時間。

當區塊鏈達到一個新的高度時進入 NewHeight 階段。接下來 Propose 階段會提交一個 proposal ，prevote 階段會對收到的 proposal 進行 prevote 投票。在 precommit 階段收集到+⅔ prevote 投票後，對 block 進行 precommit 投票。若是收集到+⅔ precommit 投票後則進入 commit 階段，若是沒有收集到+⅔ precommit 投票，會再次進入 propose 階段。在共識階段期間若是收到+⅔ commit 投票那麼直接進入 commit 階段。

以上就是算法運行的總體過程，接下來分階段來闡述各個階段。

Proposal

在每一輪開始前會經過 round-robin 方式選出一個 proposer，選出的 proposal 會提交這一輪的 proposal。proposer 的選擇規則請查看以前的一篇文章《 出塊節點選擇》

proposal 的數據結構以下：

Prevote

在 Prevote 開始階段，每一個 Validator 會判斷本身是否鎖定在上一輪的 proposed 區塊上，若是鎖定在以前的 proposal 區塊中，那麼在本輪中繼續爲以前鎖定的 proposal 區塊簽名並廣播 prevote 投票。不然爲當前輪中接收到的 proposal 區塊簽名並廣播prevote 投票。若是因爲某些緣由當前 Validator 並無收到任何 proposal 區塊，那麼簽名並廣播一個空的 prevote 投票。

Precommit

在 precommit 開始階段，每一個 Validator 會判斷，若是收集到了超過 2/3 prevote 投票，那麼爲這個區塊簽名並廣播 precommit 投票，而且當前 Validator 會鎖定在這個區塊上，同時釋放以前鎖定的區塊。。一個 Validator 一次只能鎖定在一個區塊上。若是一個 Validator 收集到超過2/3空區塊（nil)的 prevote 投票，那麼釋放以前鎖定的區塊。處於鎖定狀態的 Validator 會爲鎖定的區塊收集 prevote 投票，並把這些投票打成包放入 proof-of-lock 中，proof-of-lock 會在以後的propose階段用到。若是一個 Validator 沒有收集到超過2/3的 prevote 投票，那麼它不會鎖定在任何區塊上。這裏，介紹一個重要概念：PoLC，全稱爲 Proof of Lock Change，表示在某個特定的高度和輪數(height, round)，對某個塊或 nil (空塊)超過總結點 2/3 的 Prevote 投票集合。簡單來講 PoLC 就是 Prevote 的投票集。

在 precommit 階段後期，若是 Validator 收集到超過2/3的 precommit 投票，那麼 Validator 進入到 commit 階段。不然進入下一輪的 propose 階段。

Commit

commit 階段分爲兩個並行的步驟：

1. Validator 收到了被全網 commit 的區塊，Validator 會爲這個區塊廣播一個commit 投票。
2. Validator 須要爲被全網絡precommit的區塊，收集到超過 ⅔ commit投票。

一旦兩個條件所有知足了，節點會將 commitTime 設置到當前時間上，而且會進入NewHeight 階段。

在整個共識過程的任何階段，一旦節點收到超過⅔ commit 投票，那麼它會馬上進入到commit 階段。

爲何不會分叉?

若是小於1/3節點是拜占庭節點（若是大於等於1/3，那麼共識就無法達成了）。當validator commit 了區塊 B，那麼表示有大於2/3的節點在R輪投了 precommit，這表示至少有大於1/3節點（大於1/3節點哪兒來的呢？就是大於2/3減去小於⅓。爲何是這麼算呢？

有人說不是有大於2/3的節點投了 precommit ，那麼這些人不都是誠實的節點嗎？固然不是了，拜占庭節點的意思它工做隨性，有時候正確有時候失敗。假設這個時候全部的拜占庭節點正確的工做了，因此都算在在+2/3節點內，因此這麼算了）被 lock在了 R‘>R。若是這個時候有針對同一區塊高度的投票，那麼因爲這+1/3節點被 lock在了 R’ 輪，因此不會有+2/3的節點投 prevote，也就不會在同一高度達成一個新的共識區塊，因此就不會分叉。

因此 Tendermint 不分叉是基於它是 BFT 共識，而後加上 PoLC 共同完成。

今天咱們帶你們一塊兒深刻學習了，Tendermint 中的共識算法部分。重點介紹了 round-based 協議運行過程，以及在運行過程當中 Propose 、 Prevote 、Precommit 和 Commit 環節的具體實現步驟。相信經過這兩期文章，你們應該對 Tendermint 技術有了更深刻的瞭解。

從此咱們還會和你們探討更多區塊鏈技術方面的知識，若是您想更進一步的和咱們一塊兒學習探索，就快來關注 PPIO 公衆號，加入 PPIO 開發者社區或 Discord 羣組，和咱們一塊兒創造精彩。

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