详解Tendermint共识算法

原作者：灵魂机器Tendermint是Tendermint公司开源的的一个项目，是一个pBFT算法的变体，Tendermint和pBFT的关系类似于Raft和Paxos的关系，Tendermint是pBFT的简化版。算法核心流程

Tendermint核心算法流程如下图所示：

Tendermint算法先随机选出一些节点作为Validators(怎么选择验证节点？见后面的“如何选择验证节点”)，然后选择其中一个validator作为proposer节点。Proposer节点开始监听并收集全网的所有交易，几分钟后，组装一个新块，并向全网广播，这个就是proposalblock。全网所有validator节点收到这个proposalblock后，开始读取这个block里的所有交易，一一进行验证，如果没有问题，就发出一条pre-vote投票消息，表示同意这个block，投一个肯定票，如果发现block里有非法交易，则投一个反对票，这些投票消息会被广播到所有validator节点，所以每个validator节点既会发出一个投票消息，又会收集别人的投票消息，当发现收集到的同意投票数量超过2/3时，就发出一个pre-commit投票信息，这是第二阶段的投票了，这是每个节点也在监听并收集pre-commit的投票消息。当一个validator节点收集到的pre-commit同意票数超过2/3时，说明这个block是得到了大多数人统同意的，可以放心把这个block写入本地的区块链，追加到末尾，即完成commit。同时区块高度增一，proposer节点索引也增1，进入下一轮(round),开始提议新快。上述描述的是90%时候的正常流程，即蓝色箭头表示的那个大循环。接下来说一下内圈那个红色箭头表示的小循环。大部分情况下，一个块只需要一轮就可以完成确认，达成共识，但是有时候网络状态不好，经常发生超时，这时候就会进入内圈红色流程了。由于每一轮(round)只有一个proposer有权力出块，如果这个proposer挂了或者网络不好超时了，怎么办？不可能大家永远等待这个proposer啊，算法显然不会设计的这么蠢，存在一个明显的单点故障。在proposer节点propose阶段，所有validator节点会启动一个定时器，设置超时时间为T，如果在这个时间内还没有收到proposer节点发来的新块，就认为这个proposer节点挂了，所有validator节点不会继续等下去，会立刻在本机生成一个特殊结构的空块，假装这个空块是从Proposer节点那里收到的，这样，无论如何，在时间T内，都会收到一个proposal区块，要么是一个正常块要么是一个空块。然后接着对这个块进行pre-vote投票和pre-commit投票。如果proposer挂了，绝大部分validator看到的都是一个空块，因此空块会获得多数投票，进入commit阶段。commit空块的时候，不会真的往区块链写入一个空块，而是什么都不写，区块高度不自增，保持不变，这样相当于什么也没有干，这一轮(round)是在空转。这一轮转完了，下一轮开始的时候会换下一个validator当proposer，这样当前那个挂掉的proposer，就不会卡主整个网络。网络通信复杂度

Ripple CEO：美SEC针对Ripple案提起上诉或需数年时间:7月16日消息，Ripple首席执行官Brad Garlinghouse近日谈及有关Ripple案的裁决时表示，预计SEC将针对此案提起上诉，但任何上诉都可能需要数年时间。

据悉，SEC发言人Scott Schneider周四表示，该机构“对于法院发现XRP作为投资合同（面向机构）提供和出售违反了证券法。SEC正在继续对这一决定进行审查。[2023/7/16 10:58:24]

Tendermint的网络通信复杂度为O(n2)，因为在两个投票阶段，每个validator节点都需要收集超过2/3个投票消息，网络发送的数据包数量是n2，因此网络同心复杂度是O(n2)。在Proposal阶段，新块只需要被所有validator收到，网络通信复杂度是O(n)。总的来说，是O(n2)。网络通信复杂度为O(n2)，注定了Tendermint的节点数不会太多，太多的话网络通信这一块会成为瓶颈，因此Tendermint适用于私有连和联盟链，论文第17页也指明了这一点：Tendermintisthatsolution,optimizedforconsortia,orinter-organizationallogic不过如果配合良好的分片Sharding机制，还是可以用于公有链的。这是后话了。网络假设

Tendermint对网络的要求是，需要网络是半同步的。Tendermint在Propose阶段，有一个超时机制，但是这个超时时间不是一个常量，是动态变化的，因此在这个阶段，要求网络是半同步的。在pre-vote阶段和pre-commit两个投票阶段，对网络没有要求的，即网络是异步的。因此，Tendermint对网络要求是半同步的。由于在pre-vote和pre-commit的投票阶段，网络是异步的，如果没有收集到超过2/3的投票数，所有validator节点会无限期等待下去，因此，整个系统会卡住。Tendermint在Liveness方面有所妥协，换取了更强的Finality。举个例子，如果在某一轮中proposer节点广播出了一个新块blockX，某个validatorA节点没有按时收到新块，那么该A就会在本机构造一个空块，当做是从proposer收到的，发出一个pre-votenil投票消息然后进入pre-vote循环，并启动一个超时定时器，这时进入了红色内圈循环，A开始监听网络并收集投票信息，如果在规定时间内，收集到的投票数，无论是投给空块的还是blockX的，加起来，没有超过2/3，则无限等待，直到投票总数超过2/3收集到了超过2/3的投票总数后，如果投给空块的票数超过2/3，则发出pre-votenil投给空块，依旧留在红色内圈；如果投给blockX的票数超过2/3，则发出pre-vote投给blockX，切换到蓝色外圈；如果空块和blockX各自的票数，都没有超过2/3，那么发出pre-votenil消息投票给空块，进入pre-commit阶段，依旧在红色内圈。一旦A发出了pre-commitnil的投票消息，A还是留在红色内圈循环，pre-commit流程与上面类似。总而言之，红色内圈的流程，需要假设网络是半同步的。Finality和Liveness

deBridge推出跨链交易所DLN Trade:6月15日消息，跨链互操作性协议deBridge推出跨链交易所DLN Trade，DLN Trade使用全球流动性引擎创建去中心化订单簿，使一条链上的任何资产都可以直接与另一条链上的任何资产进行交易，而没有流动性池的瓶颈和风险。DLN Trade没有任何转账限制，允许用户设置跨链限价订单，并可随时取消。DLN Trade目前支持Ethereum、Arbitrum、Polygon、Fantom、BNB Chain和Avalanche。[2023/6/15 21:40:24]

Tendermint的Finality是Deterministic的，而比特币的Finality是Probabilistic，Tendermint比比特币具有更强的Finality。但是在Liveness方面，例如在网络发生分裂的时候，Tendermint理论上有可能卡住，任何新交易都无法写入，而比特币可以分裂成两个分叉，各自独立工作，新的交易可以继续进行。锁机制

在上面的图中，其实还隐含有一个锁机制，没有在图中表现出来。举个例子，有四个validator节点，A,B,C,D,在某个R轮，在propose阶段，proposer节点广播出了新块blockXA的超时时间内没有收到这个新块，向外广播pre-votenil，B,C,D都收到了，向外广播pre-vote投给blockX现在四个节点进入了pre-commit阶段，A处于红色内圈，B,C,D处于蓝色外圈假设A由于自身网络不好，又没有在规定时间内收到超过2/3个对blockX的投票，于是只能发出pre-commitnil投票消息投给空块D收到了B和C的pre-vote消息，加上自己的，就超过了2/3了，于是D在本机区块链里commit了blockXB和C网络出现问题，收不到D在pre-commit消息，这是B和C只能看到2票投给了blockX，一票投给了空块，全部不足2/3，于是B和C都只能commit空块，高度不变，进人R+1轮，A也只能看到2票投给了blockX，一票投给了空块，也只能commit空块，高度不变，进人R+1轮在R+1轮，由于新欢了一个proposer,提议了新的区块blockY，A,B,C三个个可能会在达成共识，提交blockY，于是在同样的高度，就有blockX和blockY两个块，产生了分叉。Tendermint加上了锁的机制，具体就是，在第7步，即使proposer出了新块blockY，A,B,C只能被锁定在第6步他们的pre-commit块上，即A在第6步投给了空块，那么在第R+1轮，只能继续投给空块，B在第6步投给了blockX，那么在新一轮，永远只能投给blockX，C也是类似。这样在R+1轮，就会有1票投给空块，两票投给blockX，最终达成共识blockX，A,B,C三人都会commitblockX，与D一致，没有产生冲突。Tendermint与pBFT比较

马斯克：Twitter计划创建一个比传统银行业更高效的金融系统:金色财经报道，Elon Musk表示，Twitter计划创建一个比传统银行业更高效的金融系统。(Watcher.Guru)[2023/5/17 15:07:25]

Tendermint和pBFT看起来非常类似，例如：都属于BFT类型的算法，最多容忍不超过1/3的恶意节点都是三阶段提交，Tendermint的propose->pre-vote->pre-commit三个阶段，跟pBFT的三个阶段，pre-prepare,prepare,commit三阶段是一一对应的都在超时的时候，换掉proposer/primary不够Tendermint相对于pBFT有两处简化。Tendermint没有pBFT那种ViewChange阶段，Tendermint很巧妙的把超时的情况，跟普通情况融合成了统一的形式，都是propose->pre-vote->pre-commit三阶段，只是超时的时候新块是一个特殊的空块。切换proposer是通过提交commit空块来触发的，而pBFT是有一个单独的viewchange过程来触发primary轮换。除了消除ViewChange这一点，Tendermint还在另一个地方有所简化，Tendermint的所有信息都存储在blockchain里。因为pBFT是1999年提出来的，那时候还没有blockchain这个东西(blockchain是2009年比特币出现之后才有的)，因此pBFT的所有节点虽有有一致的数据，但数据是分散存放的。pBFT的每个节点的数据包括:Thestateofeachreplicaincludesthestateoftheservice,amessagelogcontainingmessagesthereplicahasaccepted,andanintegerdenotingthereplica’scurrentview.Blockchain就是一个分布式数据库，好比在MySQL这类DBMS数据库没出现之前，人们都是把数据写入文件然后存在硬盘上，发明出各种奇怪的文件格式和组织方式。有了MySQL后，管理数据就方便多了。同理，Tendermint把数据全部存入blockchain,pBFT没有blockchain这样一个分布式数据库，所有全节点需要自己在硬盘上管理数据，比如为了压缩消息日志，丢弃老的消息，节省硬盘空间，引入了checkpoint的概念，光是数据管理这一块就多了很多繁琐的步骤。Tendermint和pBFT关系类似于Raft和Paxos的关系，Tendermint是pBFT的简化版，是针对blockchain这个场景下的简化版pBFT。如何选择验证节点

美元稳定币USDC市值跌破500亿美元:9月21日消息，据coingecko最新数据显示，美元稳定币USDC市值已跌破500亿美元，当前为49,994,610,884美元。[2022/9/22 7:12:11]

首先，在创始区块里，可以静态设置一组validator节点其次，当链启动后，可以发送ValidatorUpdate消息，更新validator列表。见ValidatorUpdates这个地方文档里没有讲太多，看起来还是比较原始的，没有Algorand那种密码抽签类似的随机抽样算法。不过这个地方应该是可以随时拓展的。如何轮流换Proposer

选出来了一组validator节点后，全网所有validator节点都会存一份，比如放在一个循环数组里。一般一个区块大部分情况下只需要一轮(round)就能产生，网络不好的时候可能要多轮才能出一个块。无论如何，每一轮都会有一个新的validator作为proposer,轮换规则就是很简单的依次递增，第一轮，会选择数组中第0个validator作为proposer,第二轮选择第1个validator,一次类推，到达最后一个后，重置为0，这样无限循环。然后开始共识算法，第0轮回选择位置为0的validator作为proposer节点，第1轮选择位置为1的validator,第2轮选择位置为2的validator作为proposer,到达最后一个后在重置为0，无限循环。这种round-robin策略，能有效的略过超时的proposer节点。如果一个proposer节点挂了或者所在网络很差，大部分节点都不能按时收到一个新快，于是超时后每个验证节点会在本机构造出一个空块，并广播投票消息出去，经过pre-vote和pre-commit两轮投票之后，最后commit一个空块，等价于什么不做，高度不变，开始新一轮。由于每开始新一轮，都会按顺序换成下一个proposer，这样就自然跳过了挂掉的proposer节点，算法能自动进行下去。Round-robin策略太简单了，容易被坏人预测到下一个validator是谁，于是可以提前布局，对validator发起DDoS攻击或别的攻击，怎么办呢？Tendermint的解决方法就是，把validator节点，全部放在SentryNode后面，对外不暴露IP地址。

加密矿工占俄罗斯总电力消耗的2%以上:金色财经消息，俄罗斯工业和贸易部副部长Vasily Shpak表示，挖取加密货币的矿工占俄罗斯总用电量的2%以上，他们的活动需要“粉饰”和监管。

Shpak在致力于区块链技术开发和数字金融资产监管的活动中指出，加密货币挖矿现在处于“灰色地带”，它不以任何方式征税，并给参与其中的人带来风险。不过Shpak相信，这个行业可以通过监管提高透明度。他预计，随着该行业转向能源密集度较低的挖矿协议，未来用于挖矿的电量将减少。（news.bitcoin）[2022/5/29 3:48:03]

π-calculus形式化证明

待续TODO参考资料

Tendermint:ByzantineFaultToleranceintheAgeofBlockchainsTendermint:Consensuswithoutmining

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