POS:詳解Tendermint共識算法

原作者：靈魂機器Tendermint是Tendermint公司開源的的一個項目，是一個pBFT算法的變體，Tendermint和pBFT的關系類似于Raft和Paxos的關系，Tendermint是pBFT的簡化版。算法核心流程

Tendermint核心算法流程如下圖所示：

Tendermint算法先隨機選出一些節點作為Validators(怎么選擇驗證節點？見后面的“如何選擇驗證節點”)，然后選擇其中一個validator作為proposer節點。Proposer節點開始監聽并收集全網的所有交易，幾分鐘后，組裝一個新塊，并向全網廣播，這個就是proposalblock。全網所有validator節點收到這個proposalblock后，開始讀取這個block里的所有交易，一一進行驗證，如果沒有問題，就發出一條pre-vote投票消息，表示同意這個block，投一個肯定票，如果發現block里有非法交易，則投一個反對票，這些投票消息會被廣播到所有validator節點，所以每個validator節點既會發出一個投票消息，又會收集別人的投票消息，當發現收集到的同意投票數量超過2/3時，就發出一個pre-commit投票信息，這是第二階段的投票了，這是每個節點也在監聽并收集pre-commit的投票消息。當一個validator節點收集到的pre-commit同意票數超過2/3時，說明這個block是得到了大多數人統同意的，可以放心把這個block寫入本地的區塊鏈，追加到末尾，即完成commit。同時區塊高度增一，proposer節點索引也增1，進入下一輪(round),開始提議新快。上述描述的是90%時候的正常流程，即藍色箭頭表示的那個大循環。接下來說一下內圈那個紅色箭頭表示的小循環。大部分情況下，一個塊只需要一輪就可以完成確認，達成共識，但是有時候網絡狀態不好，經常發生超時，這時候就會進入內圈紅色流程了。由于每一輪(round)只有一個proposer有權力出塊，如果這個proposer掛了或者網絡不好超時了，怎么辦？不可能大家永遠等待這個proposer啊，算法顯然不會設計的這么蠢，存在一個明顯的單點故障。在proposer節點propose階段，所有validator節點會啟動一個定時器，設置超時時間為T，如果在這個時間內還沒有收到proposer節點發來的新塊，就認為這個proposer節點掛了，所有validator節點不會繼續等下去，會立刻在本機生成一個特殊結構的空塊，假裝這個空塊是從Proposer節點那里收到的，這樣，無論如何，在時間T內，都會收到一個proposal區塊，要么是一個正常塊要么是一個空塊。然后接著對這個塊進行pre-vote投票和pre-commit投票。如果proposer掛了，絕大部分validator看到的都是一個空塊，因此空塊會獲得多數投票，進入commit階段。commit空塊的時候，不會真的往區塊鏈寫入一個空塊，而是什么都不寫，區塊高度不自增，保持不變，這樣相當于什么也沒有干，這一輪(round)是在空轉。這一輪轉完了，下一輪開始的時候會換下一個validator當proposer，這樣當前那個掛掉的proposer，就不會卡主整個網絡。網絡通信復雜度

安諾其：控股子公司與百度合作開發的區塊鏈工作推進中:金色財經報道，安諾其7月21日表示，公司控股子公司上海尚乎彩鏈與百度合作開發的區塊鏈工作穩步推進中，目前處于內測階段。[2023/7/21 15:50:31]

Tendermint的網絡通信復雜度為O(n2)，因為在兩個投票階段，每個validator節點都需要收集超過2/3個投票消息，網絡發送的數據包數量是n2，因此網絡同心復雜度是O(n2)。在Proposal階段，新塊只需要被所有validator收到，網絡通信復雜度是O(n)。總的來說，是O(n2)。網絡通信復雜度為O(n2)，注定了Tendermint的節點數不會太多，太多的話網絡通信這一塊會成為瓶頸，因此Tendermint適用于私有連和聯盟鏈，論文第17頁也指明了這一點：Tendermintisthatsolution,optimizedforconsortia,orinter-organizationallogic不過如果配合良好的分片Sharding機制，還是可以用于公有鏈的。這是后話了。網絡假設

Tendermint對網絡的要求是，需要網絡是半同步的。Tendermint在Propose階段，有一個超時機制，但是這個超時時間不是一個常量，是動態變化的，因此在這個階段，要求網絡是半同步的。在pre-vote階段和pre-commit兩個投票階段，對網絡沒有要求的，即網絡是異步的。因此，Tendermint對網絡要求是半同步的。由于在pre-vote和pre-commit的投票階段，網絡是異步的，如果沒有收集到超過2/3的投票數，所有validator節點會無限期等待下去，因此，整個系統會卡住。Tendermint在Liveness方面有所妥協，換取了更強的Finality。舉個例子，如果在某一輪中proposer節點廣播出了一個新塊blockX，某個validatorA節點沒有按時收到新塊，那么該A就會在本機構造一個空塊，當做是從proposer收到的，發出一個pre-votenil投票消息然后進入pre-vote循環，并啟動一個超時定時器，這時進入了紅色內圈循環，A開始監聽網絡并收集投票信息，如果在規定時間內，收集到的投票數，無論是投給空塊的還是blockX的，加起來，沒有超過2/3，則無限等待，直到投票總數超過2/3收集到了超過2/3的投票總數后，如果投給空塊的票數超過2/3，則發出pre-votenil投給空塊，依舊留在紅色內圈；如果投給blockX的票數超過2/3，則發出pre-vote投給blockX，切換到藍色外圈；如果空塊和blockX各自的票數，都沒有超過2/3，那么發出pre-votenil消息投票給空塊，進入pre-commit階段，依舊在紅色內圈。一旦A發出了pre-commitnil的投票消息，A還是留在紅色內圈循環，pre-commit流程與上面類似。總而言之，紅色內圈的流程，需要假設網絡是半同步的。Finality和Liveness

Infura與錢包身份驗證基礎設施Web3Auth達成合作:5月2日消息，區塊鏈開發平臺Infura宣布與錢包身份驗證基礎設施Web3Auth達成合作，后者選擇在Infura上運行節點以獲得經濟高效且安全的解決方案。

據悉，Web3Auth通過其原生Torus錢包和SDK使DApp和錢包的身份驗證簡單而安全。[2023/5/2 14:38:14]

Tendermint的Finality是Deterministic的，而比特幣的Finality是Probabilistic，Tendermint比比特幣具有更強的Finality。但是在Liveness方面，例如在網絡發生分裂的時候，Tendermint理論上有可能卡住，任何新交易都無法寫入，而比特幣可以分裂成兩個分叉，各自獨立工作，新的交易可以繼續進行。鎖機制

在上面的圖中，其實還隱含有一個鎖機制，沒有在圖中表現出來。舉個例子，有四個validator節點，A,B,C,D,在某個R輪，在propose階段，proposer節點廣播出了新塊blockXA的超時時間內沒有收到這個新塊，向外廣播pre-votenil，B,C,D都收到了，向外廣播pre-vote投給blockX現在四個節點進入了pre-commit階段，A處于紅色內圈，B,C,D處于藍色外圈假設A由于自身網絡不好，又沒有在規定時間內收到超過2/3個對blockX的投票，于是只能發出pre-commitnil投票消息投給空塊D收到了B和C的pre-vote消息，加上自己的，就超過了2/3了，于是D在本機區塊鏈里commit了blockXB和C網絡出現問題，收不到D在pre-commit消息，這是B和C只能看到2票投給了blockX，一票投給了空塊，全部不足2/3，于是B和C都只能commit空塊，高度不變，進人R+1輪，A也只能看到2票投給了blockX，一票投給了空塊，也只能commit空塊，高度不變，進人R+1輪在R+1輪，由于新歡了一個proposer,提議了新的區塊blockY，A,B,C三個個可能會在達成共識，提交blockY，于是在同樣的高度，就有blockX和blockY兩個塊，產生了分叉。Tendermint加上了鎖的機制，具體就是，在第7步，即使proposer出了新塊blockY，A,B,C只能被鎖定在第6步他們的pre-commit塊上，即A在第6步投給了空塊，那么在第R+1輪，只能繼續投給空塊，B在第6步投給了blockX，那么在新一輪，永遠只能投給blockX，C也是類似。這樣在R+1輪，就會有1票投給空塊，兩票投給blockX，最終達成共識blockX，A,B,C三人都會commitblockX，與D一致，沒有產生沖突。Tendermint與pBFT比較

觀點：Shapella升級后機構涌向以太坊:金色財經報道，據CME Group官方數據，CME期貨未平倉合約已升至2022年3月以來的最高水平，表明機構交易員涌入加密市場。以太坊于4月12日實施了備受期待的Shapella硬分叉，也稱為上海升級，通過允許隨意提取鎖定的代幣，降低了抵押區塊鏈原生代幣以太幣(ETH)的風險。這一關鍵事件激發了機構對市值第二大加密貨幣(ETH)的興趣。

自4月10日以來，在芝加哥商品交易所(CME)交易的活躍或未平倉的以太期貨合約數量增加了39%，達到6,248ETH。以美元計算，未平倉合約增加了70%以上，達到6.33億美元。

機構通常更喜歡CME期貨等受監管產品，這些產品允許他們在不擁有數字資產的情況下接觸數字資產。因此，與以太幣和比特幣掛鉤的CME期貨被廣泛認為是機構活動的代表。[2023/4/19 14:13:32]

Tendermint和pBFT看起來非常類似，例如：都屬于BFT類型的算法，最多容忍不超過1/3的惡意節點都是三階段提交，Tendermint的propose->pre-vote->pre-commit三個階段，跟pBFT的三個階段，pre-prepare,prepare,commit三階段是一一對應的都在超時的時候，換掉proposer/primary不夠Tendermint相對于pBFT有兩處簡化。Tendermint沒有pBFT那種ViewChange階段，Tendermint很巧妙的把超時的情況，跟普通情況融合成了統一的形式，都是propose->pre-vote->pre-commit三階段，只是超時的時候新塊是一個特殊的空塊。切換proposer是通過提交commit空塊來觸發的，而pBFT是有一個單獨的viewchange過程來觸發primary輪換。除了消除ViewChange這一點，Tendermint還在另一個地方有所簡化，Tendermint的所有信息都存儲在blockchain里。因為pBFT是1999年提出來的，那時候還沒有blockchain這個東西(blockchain是2009年比特幣出現之后才有的)，因此pBFT的所有節點雖有有一致的數據，但數據是分散存放的。pBFT的每個節點的數據包括:Thestateofeachreplicaincludesthestateoftheservice,amessagelogcontainingmessagesthereplicahasaccepted,andanintegerdenotingthereplica’scurrentview.Blockchain就是一個分布式數據庫，好比在MySQL這類DBMS數據庫沒出現之前，人們都是把數據寫入文件然后存在硬盤上，發明出各種奇怪的文件格式和組織方式。有了MySQL后，管理數據就方便多了。同理，Tendermint把數據全部存入blockchain,pBFT沒有blockchain這樣一個分布式數據庫，所有全節點需要自己在硬盤上管理數據，比如為了壓縮消息日志，丟棄老的消息，節省硬盤空間，引入了checkpoint的概念，光是數據管理這一塊就多了很多繁瑣的步驟。Tendermint和pBFT關系類似于Raft和Paxos的關系，Tendermint是pBFT的簡化版，是針對blockchain這個場景下的簡化版pBFT。如何選擇驗證節點

日本著名企業DMM.com將基于Oasys推出自己的Layer2:12月14日消息，日本著名企業 DMM.com 將基于 Oasys 打造自己的Layer2 公鏈，并發布自己的第一個區塊鏈游戲 Kanpani Girls RE:BLOOM。

據悉，Oasys 是由多家游戲巨頭支持，并專為游戲而生的公鏈。[2022/12/14 21:44:55]

首先，在創始區塊里，可以靜態設置一組validator節點其次，當鏈啟動后，可以發送ValidatorUpdate消息，更新validator列表。見ValidatorUpdates這個地方文檔里沒有講太多，看起來還是比較原始的，沒有Algorand那種密碼抽簽類似的隨機抽樣算法。不過這個地方應該是可以隨時拓展的。如何輪流換Proposer

選出來了一組validator節點后，全網所有validator節點都會存一份，比如放在一個循環數組里。一般一個區塊大部分情況下只需要一輪(round)就能產生，網絡不好的時候可能要多輪才能出一個塊。無論如何，每一輪都會有一個新的validator作為proposer,輪換規則就是很簡單的依次遞增，第一輪，會選擇數組中第0個validator作為proposer,第二輪選擇第1個validator,一次類推，到達最后一個后，重置為0，這樣無限循環。然后開始共識算法，第0輪回選擇位置為0的validator作為proposer節點，第1輪選擇位置為1的validator,第2輪選擇位置為2的validator作為proposer,到達最后一個后在重置為0，無限循環。這種round-robin策略，能有效的略過超時的proposer節點。如果一個proposer節點掛了或者所在網絡很差，大部分節點都不能按時收到一個新快，于是超時后每個驗證節點會在本機構造出一個空塊，并廣播投票消息出去，經過pre-vote和pre-commit兩輪投票之后，最后commit一個空塊，等價于什么不做，高度不變，開始新一輪。由于每開始新一輪，都會按順序換成下一個proposer，這樣就自然跳過了掛掉的proposer節點，算法能自動進行下去。Round-robin策略太簡單了，容易被壞人預測到下一個validator是誰，于是可以提前布局，對validator發起DDoS攻擊或別的攻擊，怎么辦呢？Tendermint的解決方法就是，把validator節點，全部放在SentryNode后面，對外不暴露IP地址。

美聯儲主席鮑威爾：需要在CBDC上與行政部門和國會合作:金色財經報道，北京時間19:30-20:30，美聯儲主席鮑威爾出席有關數字貨幣的專家小組會議。鮑威爾表示，我們正在評估美聯儲數字貨幣的政策和技術問題，暫時還沒有決定是否繼續。我們的重點是穩定幣是否應該以更廣泛的方式使用，適當的法規已經到位。穩定幣是一種私人形式的貨幣，仍然可能受到流動性的影響。

此外，我們需要在央行數字貨幣（CBDC）上與行政部門和國會合作。在我們繼續（行動）之前，我們需要他們批準央行數字貨幣（CBDC），目前還需要幾年的時間研究。[2022/9/27 22:34:32]

π-calculus形式化證明

待續TODO參考資料

Tendermint:ByzantineFaultToleranceintheAgeofBlockchainsTendermint:Consensuswithoutmining

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