詳解Tendermint共識算法_PRO

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

歐洲央行：公共部門應建立全面的監管框架，解決與加密相關的社會和環境風險:金色財經報道，歐洲中央銀行(ECB)董事會成員FabioPanetta在第22屆國際清算銀行年會上關于加密貨幣未來的小組上表示，加密資產已被推廣為去中心化的替代品，有望提供更具彈性的金融服務。然而，現實并沒有兌現這一承諾。支持加密資產的區塊鏈技術可能非常緩慢、能源密集且可擴展性不足。由于處理復雜且價格波動較大，加密資產在日常交易中的實用性較低。

為了解決這些缺點，加密生態系統改變了它的敘述方式，支持更集中的組織形式，強調加密投機和快速獲利。但最近發生的事件暴露了加密生態系統的脆弱性，表明人們對加密資產的信心消失得有多快。在許多方面，這個生態系統重現了區塊鏈技術最初想要解決的缺點和漏洞。

公共部門應采取堅定的立場，建立全面的監管框架，解決與加密相關的社會和環境風險，包括將無擔保的加密資產用于投機目的。它還應該抵制為加密貨幣提供國家支持的呼吁，這本質上會使加密貨幣風險社會化。相反，公共部門應集中精力為可靠的數字結算資產的開發做出貢獻，包括通過在央行數字貨幣方面的工作。[2023/6/25 21:58:12]

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

BTC突破27500美元:金色財經報道，行情顯示，BTC突破27500美元，現報27512.5美元，日內漲幅達到10.43%，行情波動較大，請做好風險控制。[2023/3/18 13:11:46]

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

硅谷銀行(SIVB.O)盤前跌超50%:金色財經報道，硅谷銀行(SIVB.O)盤前跌超50%，此前多家機構建議撤出資金。[2023/3/10 12:55:00]

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

以太坊域名服務 ENS 將在兩周后部署 NameWrapper 至主網:1月17日消息，以太坊域名服務（ENS）現已將重新審計過的 NameWrapper 部署至 Goerli 測試網，在部署到主網之前至少會在 Goerli 上保留兩周時間。NameWrapper 智能合約通過將現有 ENS 域名包裝為 ERC-115 代幣來增強功能，包括更好地控制包裝域名的權限，能夠在任何支持 ERC-115 標準的錢包中顯示、傳輸和交易包裝域名。另外，NameWrapper 允許主域名控制子域名的過期情況，也能授予子域所有者或其他帳戶延長到期時間的權限。[2023/1/17 11:16:46]

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

前黑石集團高管：比特幣將成為每個人投資組合的一部分:7月18日消息，前黑石公司高管和投資顧問Edward Dowd強調，盡管最近加密貨幣市場出現動蕩，但比特幣將繼續存在，并將進入每個人的投資組合。

在參加Layah Heilpern的播客節目時，Dowd重申，一旦比特幣走向成熟，它將可能擊敗黃金，因為它具有獨特的功能。根據Dowd的說法，盡管黃金仍然是一種可行的投資，但比特幣作為一種財富的儲存方式有更好的機會。

Dowd認為，加密貨幣市場可以與互聯網時代相提并論，當時大多數公司都倒閉了，而強勢的公司卻活了下來。Dowd說 ，可以把加密貨幣比作網絡時代，其中90%的公司歸于零，10%成為“亞馬遜”。加密從業者的工作是弄清楚什么是加密行業的“亞馬遜”。我認為比特幣有可能成為加密行業的“亞馬遜。（Finbold）[2022/7/18 2:21:20]

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。

π-calculus形式化證明

待續TODO參考資料

Tendermint:ByzantineFaultToleranceintheAgeofBlockchainsTendermint:Consensuswithoutmining

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