5. 共识算法

5.1. 共识算法简介

共识算法是指在分布式场景中,多个节点为了达成相同的数据状态而运行的一种分布式算法。 在分布式场景中,可能出现网络丢包、时钟漂移、节点宕机、节点作恶等等故障情况,共识算法需要能够容忍这些错误,保证多个节点取得相同的数据状态。

根据可容忍的故障类型的不同,可以将共识算法分为两类:

  • 容忍宕机错误类算法(crash fault tolerant consensus algorithm),可以容忍网络丢包、时钟漂移、部分节点宕机这种节点为良性的错误。常见算法有 Paxos、Raft。

  • 容忍拜占庭错误类算法(byzantine fault tolerant consensus algorithm),可以容忍部分节点任意类型错误,包括节点作恶的情况。常见算法有 PBFT、PoW、PoS等。

根据使用场景的不同,又可将共识算法分为公链共识、联盟链共识两类。

5.1.1. 公链共识

公链的特点是节点数量多且节点分布分散,主要使用的共识算法有PoW和PoS,这两种共识的优点是可以支持的节点数量多,缺点是TPS较低和交易确认时间长。

5.1.2. 联盟链共识

联盟链的特点是节点之间网络较为稳定且节点有准入要求,根据需要容忍的错误类型可以选择Raft和PBFT类算法,这类算法的优点是TPS较高且交易可以在毫秒级确认,缺点是支持的节点数量有限,通常不多于100个节点。

5.1.3. 公链共识和联盟链共识的对比

共识 支持的节点数量 TPS 交易时延
公有链共识 10000+ 10+ 10min+
联盟链共识 100+ 1000+ 1s+

5.2. 长安链中的共识

长安链自v1.1.0开源版本起支持Solo,Raft,TBFT,HotStuff,DPoS 五种共识类型。四种共识对比如下:

共识类型 故障节点数为n(n>=0)时,网络中最少节点数 使用场景
Solo Solo只支持1个节点 主要用于测试及搭建demo
Raft 2n+1 联盟链中不需要考虑恶意节点,且需要性能较高的场景
TBFT 3n+1 联盟链中需要考虑恶意节点的场景
Maxbft 3n+1 联盟链中需要考虑恶意节点的场景
DPoS 3n+1 公链、联盟链中存在大量参与方,又希望在考虑恶意节点情况下保持较高tps的场景

5.2.1. Solo

5.2.1.1. 算法简介

SOLO是单节点无共识投票过程的“共识算法”。

5.2.1.2. 算法用途

  1. 快速部署单节点运行,降低试用门槛;

  2. 供开发人员进行除网络和共识模块的全流程测试。

5.2.1.3. 如何使用算法

部署一个长安链节点,将链配置的共识算法进行如下修改,清除数据启动即可:

#共识配置
consensus:
  # 共识类型(0-SOLO,1-TBFT,3-Maxbft,4-RAFT,10-POW)
  type: 0

5.2.2. Raft

5.2.2.1. 算法简介

Raft算法是目前使用最广泛的非拜占庭容错类共识算法。 Raft算法主要依靠投票机制和日志复制机制来实现节点间的共识。节点通过投票选出一个leader,由leader负责处理所有请求,再将请求以日志的方式复制到其他节点。

5.2.2.2. 算法用途

  1. 不考虑恶意节点的多节点环境;

  2. 需要支持高TPS的环境。

5.2.2.3. 共识接口说明

Raft 实现了长安链的ConsensusEngine接口。 Start 方法用来初始化Raft内部状态及启动Raft实例。 Stop 方法用来停止Raft实例。

type ConsensusEngine interface {      
  // Init starts the consensus engine.
  Start() error                       
                                      
  // Stop stops the consensus engine. 
  Stop() error                        
}  

5.2.2.4. Raft共识与核心引擎交互图

流程图如下:
Raft共识与核心引擎交互图

5.2.2.5. 如何使用算法

Raft共识建议配置节点数为2n+1(n>=0),将链配置(参见配置模块,链配置章节)的共识算法进行如下修改,清除数据启动即可:

#共识配置
consensus:
  # 共识类型(0-SOLO,1-TBFT,3-HOTSTUFF,4-RAFT,5-DPoS,10-POW)
  type: 4
  nodes:                                                                                                                                 
    - org_id: "wx-org1.chainmaker.org"                                                                                                   
      node_id:                                                                                                                           
        - "QmcQHCuAXaFkbcsPUj7e37hXXfZ9DdN7bozseo5oX4qiC4"                                                  
    - org_id: "wx-org2.chainmaker.org"                                                                                                   
      node_id:                                                                                                                           
        - "QmeyNRs2DwWjcHTpcVHoUSaDAAif4VQZ2wQDQAUNDP33gH"                                                  
    - org_id: "wx-org3.chainmaker.org"                                                                                                   
      node_id:                                                                                                                           
        - "QmXf6mnQDBR9aHauRmViKzSuZgpumkn7x6rNxw1oqqRr45"                                                  

5.2.3. TBFT

5.2.3.1. 算法简述

TBFT 是一种拜占庭容错的共识算法,可以在拜占庭节点数小于总数1/3的情况下,保证系统的安全运行。 TBFT 的每轮共识可以分为5个步骤:

  1. NewRound: 共识投票的准备阶段,会初始化共识相关状态;

  2. Proposal: 提案阶段,leader节点会打包区块,并广播给follwer节点;

  3. Prevote: 预投票阶段,follower节点在收到proposal并验证proposal合法后,广播自己的prevote投票到其他节点;

  4. Precommit: 预提交阶段,节点收到 >2/3 针对proposal的prevote投票后,广播自己的precommit投票到其他节点;

  5. Commit: 提交阶段,节点收到 >2/3 针对proposal的precommit投票后,提交proposal中的区块到账本。

其中共识投票是指其中的Proposal,Prevote,Precommit三个阶段。 阶段图示如下:
共识算法-tbft算法阶段图

流程图如下:
共识算法-tbft流程图

5.2.3.2. 与PBFT的区别

TBFT基于Tendermint算法,与PBFT的最大区别在于:PBFT有一个固定的leader节点打包交易,当leader节点故障的时候会 使用view-change子协议更换leader;而在TBFT中,leader是轮换的,每提交n个块(可以配置)leader会轮换成下一个节点。 因此,TBFT比PBFT有更好的公平性。

5.2.3.3. 与msgbus交互流程

Raft共识与核心引擎交互图

ProposaState: TBFT发送给核心引擎本节点在当前高度是否是leader节点,核心引擎判断是否需要打包区块
Proposal: 核心引擎打包区块并发送给TBFT
Verify: 当本节点收到主节点发来的区块后,向核心引擎验证区块读写集等信息
VerifyResult: 核心引擎返回给TBFT Verify的结果,当区块合法时,本节点将会投票给区块
Commit: TBFT完成共识后,向核心引擎发送提交区块的信号,核心引擎提交区块到账本
BlockInfo: 核心引擎告知TBFT已提交区块的高度等信息,TBFT进入下一个高度

5.2.3.4. 接口说明

TBFT 实现了长安链的ConsensusEngine接口。
Start 方法用来初始化TBFT内部状态及启动TBFT实例。
Stop 方法用来停止TBFT实例。

type ConsensusEngine interface {      
  // Init starts the consensus engine.
  Start() error                       
                                      
  // Stop stops the consensus engine. 
  Stop() error                        
}    

5.2.3.5. 数据结构

// TBFTMsgType defines different type message in tbft
enum TBFTMsgType {
  propose   = 0;
  prevote   = 1;
  precommit = 2;
  state     = 3;
}

message TBFTMsg {
  TBFTMsgType type = 1;
  bytes msg        = 2;
}

// Proposal defined a consesensus proposal which can 
// be gossiped to other node and can be serilized 
// for persistent store.
message Proposal {
  string voter                 = 1;
  int64 height                 = 2;
  int32 round                  = 3;
  int32 pol_round              = 4;
  Block block                  = 5;
  EndorsementEntry endorsement = 6;
}

// VoteType represents the type of vote
enum VoteType {
  VotePrevote   = 0;
  VotePrecommit = 1;
}

// Vote represents a tbft vote
message Vote {
  VoteType type = 1;
  string voter  = 2;
  int64 height  = 3;
  int32 round   = 4;
  bytes hash    = 5;
  EndorsementEntry endorsement = 6;
}

// Step represents the step in a round 
enum Step {
  NewHeight     = 0;
  NewRound      = 1;
  Propose       = 2;
  Prevote       = 3;
  PrevoteWait   = 4;
  Precommit     = 5;
  PrecommitWait = 6;
  Commit        = 7;
}

5.2.3.6. 配置参数

TBFT 可以通过在配置块中的ext_config字段配置相关参数:

  1. “TBFT_propose_timeout”: 提案的超时时间,如10s, 1m

  2. “TBFT_propose_delta_timeout”: 每轮提案超时增加的时间,如10s, 1m

  3. “TBFT_blocks_per_proposer”: 每个节点连续出块数,如 3

5.2.4. Maxbft

consensus-maxbft模块实现了流水线hotstuff共识,是一种优化后的三阶段bft算法,在拜占庭节点数小于总数1/3时,保证系统的安全运行,同时提供更加高效的运行效率;在如下方面进行了优化:

  • 优化投票流程,使用星型网络减少网络通信量至O(n)

  • 简化共识消息类型为 proposalMsg、voteMsg

  • liveness和safetyRules解耦,方便拓展实现

hotstuff是一种基于view的共识算法,每个view又称为level,每次进行level切换时,可以更新下一个level的proposer,且具有如下特性;

  • 共识算法运转过程中,存在两个全局累加的变量:区块高度、共识level,指定高度的区块可能经历多轮共识才达成一致,当节点生成有效区块或当前共识level被投超时票后,共识level都会递增

  • 流水线的hotstuff共识算法中,对当前共识level区块的投票会发送下一个共识level的proposer节点,由下一个level的proposer收集投票信息组成QC,包含在新生成的区块中

  • hotstuff共识算法为三阶段协议:prepareQC、precommitQC、commitQC

    • 在流水线模式的实现中,当前区块的QC是由下一个view的leader节点收集,包含在下一个区块中;且由于每一阶段都是对指定消息的投票收集,因为对协议进行了如下优化

    • prepareQC:链上验证者集合对当前view提案的第一轮共识投票,包含在下一轮共识view+1的提案中,当节点收到view+1提案消息时,表示对view的第一轮共识达成

    • precommitQC/lockedQC:共识view的precommitQC是由view+1的prepareQC间接确认的,即当view+2的leader将验证者集合对view+1的共识投票包含在新提案中,其它节点收到view+2提案时,表示对view+1的prepareQC达成,对view的precommitQC达成

    • commitQC:与precommitQC的达成类似,view的commitQC是通过对view+2的prepareQC间接达成的;当节点收到view+3的提案时,表示链上验证集合对view的commitQC达成,此时会将view的提案在链上提交

    • 因此流水线的hotstuff实现中,节点会缓存三个共识view(view、view+1、view+2)待提交的提案信息,直到收到view+3提案时,将view的提案进行提交

  • 经过流水线hotstutff的共识优化,投票类型仅包含对于接收的proposal消息的投票或共识超时后的NewView消息投票

Maxbft 当前仅支持共识节点数 >= 4的场景,1)当创世节点数小于4时,节点无法成功启动;2)当链上共识节点数量动态减少时,导致链上节点数小于4的交易,执行失败。

名字解释

  • QC(quorum certificate):(n−f)个节点对指定proposal消息的签名投票集合。

  • TC(timeout quorum certificate):(n−f)个节点对共识view的超时消息的签名投票集合。

hotstuff-投票处理

5.2.4.1. 模块设计

共识模块主要由几个组件组成,分别是:状态机chainedbftSMR、安全服务SafetyRules、活性服务Pacemaker、信息同步syncManager、定时器服务TimerService,互相配合在ConsensusMaxBftImpl中实现了Hotstuff协议。

  • chainedbftSMR:用来管理节点的状态,保存节点的投票、QC信息等

  • SafetyRules:验证节点接收的proposal消息的有效性

  • Pacemaker:共识活性服务,使用接收到的QC/TC信息,推进节点的共识状态

  • syncManager:在共识过程中,如果负责落后节点的信息同步,将其更新至最新链上最新状态

  • TimerService: 定时器服务,当共识切换或生成区块时,添加定时任务,执行超时监测

  • ConsensusMaxBftImpl:将各个模块组合起来,实现流水线hotstuff共识

5.2.4.2. 配置参数

  1. MaxbftRoundTimeoutMill:共识view切换的基础超时时间

  2. MaxbftRoundTimeoutIntervalMill:相同区块高度下,每次共识超时后增加的delta时间

5.2.5. DPoS

DPoS(Delegated Proof of Stake)委托权益证明共识算法,类似于公司董事会制度,在DPoS共识制度下,会选出一定数量的节点,来负责生成、验证区块。节点的选举根据节点质押的权益来进行,被选出来的节点代表其他所有的节点进行小范围共识出块。正常生产区块的节点可以获得额外的权益激励,但如果节点不履行生产区块的职责,或者作恶,会被剔除出去,并且依据事先设定的惩罚规则进行惩罚(如扣除质押的部分权益)。

DPoS共识是由DPoS委托质押算法、TBFT拜占庭共识算法组合实现的;DPoS委托质押算法负责节点的权益质押、验证人集合的选举、激励、惩罚这些操作,TBFT共识算法负责对Proposer生成的区块进行验证,保证大多数验证者节点对区块达成一致;

chainmaker【v1.2.0+版本】的DPoS共识实现是基于证书体系构建的,所以新节点准备参与共识过程时,除了DPoS共识自身所需的权益质押,还需要使用证书体系的管理机制(即:系统配置合约的操作),将新节点添加到网络中。

DPoS共识中,设置指定数量区块的区块构成一个世代,每个世代包含一批从候选人中依据质押的权益选举出来的验证者,作为世代的验证者集合,每个验证者轮流作为Proposer进行出块,其它不出块的验证者对Proposer生成的区块进行TBFT共识,保证大多数验证者对该区块达成一致,每个世代的最后一个区块选举下一个世代的验证者集合,并将选举结果写入区块以便其它验证者节点进行校验。因此在区块链上存在三种节点:普通节点、候选人节点、验证人节点;普通节点通过质押一定数量的权益资产,成为候选人节点,每个世代的最后一个区块,依据候选人质押的权益,选举一批节点作为下一个世代的验证者集合。

candidates

TODO

  • 【chainmaker v1.2.0】的DPoS共识仅支持levelDB存储引擎

  • 【chainmaker v1.2.0】未实现区块激励、作恶惩罚,仅支持共识节点的增删、质押/解质押功能

5.2.5.1. 质押规则

普通节点通过质押权益成为候选人,具有如下的规则:

  • 成为候选人的节点自身需要至少抵押该stake.minSelfDelegation数量的权益

    • stake.minSelfDelegation为链启动时配置的参数,候选人最少抵押的权益数量

  • 任何人/组织都可以将权益委托质押给某个候选人,候选人质押的权益数量越多,被选为验证者的几率越大

  • 所有质押的权益会被一直冻结,直到用户退出质押且在一段时间后stake.completionUnbondingEpochNum,所冻结的质押资产才会退还给用户

    • stake.completionUnbondingEpochNum为链启动时配置的参数,用户退出质押后,间隔几个世代再将用户的资产退还到相应的账户

  • 用户的质押权益会转入stake合约的系统账户地址中,该系统账户地址是由合约名通过算法生成的

    • stakeAddress = base58(sha256(stakeContractName))

5.2.5.2. 验证人选举规则

每个世代会从候选人中选择一批验证者进行共识,为了在参考候选人质押资金的同时,也可以尽可能维护系统的公平性,设计了如下概率性选择算法,使所有候选人都有成为验证者的可能:

  • 候选人的数量为M,选举的验证者集合的数量为N;依据候选人质押资金将其分为两个集合,质押资金topN的候选人为优先级集合,其余为普通集合

  • 从优先级集合中选举N/2的节点作为验证者,剩余未被选中节点合并至普通集合,参与剩余的N/2个验证者的选举

5.2.5.3. 接口

type DPoS interface {
	CreateDPoSRWSet(preBlkHash []byte, proposedBlock *consensuspb.ProposalBlock) error
	VerifyConsensusArgs(block *common.Block, blockTxRwSet map[string]*common.TxRWSet) error
	GetValidators() ([]string, error)
}
  • CreateDPoSRWSet: 依据节点提案的区块和链上数据,生成DPoS共识的读写集,并将读写集添加至区块中

  • VerifyConsensusArgs: 验证区块中包含的DPoS读写集是否正确

  • GetValidators: 获取当前世代的验证者

5.2.5.4. 系统合约

DPoS共识使用了两个系统合约来分别处理、存储一些状态;使用ERC20系统合约,存储链上所有用户的资产,并处理权益的转移、增发等逻辑;使用Stake系统合约,存储共识中的质押、退出质押、世代(每个世代包含验证者集合、下一个世代的创建高度)等信息,并处理用户的质押、退出质押、关联NodeID逻辑;

  • 注意:关联NodeID操作的原因,NodeID是由节点证书内包含的公钥生成的,用于表示节点在链上的身份,且验证者生成的区块是用该证书对应的私钥进行签名的,因此该私钥需要放置在运行节点的服务器上;为了保证用户质押资金的安全,使用了另一套证书来标示用户的身份,用户的资金存储在该证书内公钥生成的地址上,该证书可以离线存储,以保证资金的安全。

  • 因此,节点质押资金成为候选人时,需要先在链上关联用户质押地址对应的NodeID。

5.2.5.5. 配置参数

consensus:
  # 共识类型(0-SOLO,1-TBFT,3-HOTSTUFF,4-RAFT,5-DPoS,10-POW)
  type: 5
  dpos_config:
    #ERC20合约配置
    - key: erc20.total
      value: "1250000000000000000000000"
    - key: erc20.owner
      value: "4WUXfiUpLkx7meaNu8TNS5rNM7YtZk6fkNWXihc54PbM"
    - key: erc20.decimals
      value: "18"
    - key: erc20.account:SYSTEM_CONTRACT_DPOS_STAKE
      value: "1000000000000000000000000"
    - key: erc20.account:4QUXfiUpNmj7meaNu8TNS5rNM7YtZk6fkNWXihc589kN
      value: "250000000000000000000000"
    #Stake合约配置
    - key: stake.minSelfDelegation
      value: "25000000000000000000000"
    - key: stake.epochValidatorNum
      value: "4"
    - key: stake.epochBlockNum
      value: "10"
    - key: stake.completionUnbondingEpochNum
      value: "1"
    - key: stake.candidate:4WUXfiUpLkx7meaNu8TNS5rNM7YtZk6fkNWXihc54PbM
      value: "250000000000000000000000"
    ......
    - key: stake.nodeID:4WUXfiUpLkx7meaNu8TNS5rNM7YtZk6fkNWXihc54PbM
      value: "QmRmTtfm7w5KwVAJALLU23y9TyiCNTUiqVbcErfBqhenrh"
		......
  • erc20.total: ERC20合约发行权益的总量

  • erc20.owner: ERC20合约的管理员,拥有增发权益的权利

  • erc20.decimals: ERC20合约中权益的精度

  • erc20.account:<addr>: ERC20合约中创世块时每个账户所拥有的资金

    • SYSTEM_CONTRACT_DPOS_STAKE: 由于stake合约地址是由合约名通过sha256计算后base58编码得到的,为固定值;但base58的值可读、可写不便,容易配置出错,因此,对于stake合约的地址配置为合约名;链启动后可以通过该命令查询stake合约地址

    • 其它的账户的初始资金配置,使用用户的地址进行配置

  • stake.minSelfDelegation: 候选人自身最少质押的权益数量

  • stake.epochValidatorNum: 每个世代验证者的数量

  • stake.epochBlockNum : 每个世代的区块数量

  • stake.completionUnbondingEpochNum:用户退出质押后间隔几个世代将资金退还给用户

  • stake.candidate:<addr>: 创世块时每个候选人质押的资金

  • stake.nodeID:创世块时每个候选人关联的NodeID

5.2.5.6. 节点管理

DPoS共识允许用户在链创世运行后,通过质押/解质押权益来动态的参与/退出区块链共识;用户通过质押、解质押参与共识的指引步骤见该章节: