区块链入门 | 如何用共识算法构建区块链共识网络?

作者:赵超越

 

Hi,相信关注区块链的你,一定对经常听到的“共识”一词充满了好奇,那作为区块链灵魂的共识算法到底是什么呢?

今日在线解决三大疑问:共识算法到底是什么?有哪些?未来发展如何?

 

共识算法到底是什么?

 

在了解这个概念之前,或许我们得先回顾一下,什么是区块链?我们上期给出的一句话总结是:“区块链是由分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等技术构成的分布式数据库技术,可为存证溯源、业务协作、数字资产、数据交换等高价值场景提供多方互信的解决方案。”

其中,共识机制就是我们今天要聊到的——共识算法。

共识算法是用于保证分布式系统一致性的机制。这里的一致性可以是交易顺序的一致性、账本一致性、节点状态的一致性等。

在上期家庭财政举的例子中,夫妻各自管理自己的账本时,新增的每一笔收入都需要经过两人的共同查验,确认无误后才会被分别记入二人的账本中,并确认双方账本是否一致。其中“共同查验”、“确认双方账本一致”的过程就是共识。

 

 

共识算法有哪些?

 

想要达成共识,我们就必须得解决一个问题:听谁的?

 

比比谁更强,谁更快:POW工作量证明、Raft算法。

以「王者荣耀」为例,五个路人刚组好战队,需要选出一名指挥官,决定如何在比赛时交流信息,保证行动的一致性,从而一起夺得战队赛的好名次。

有人提出在王者快跑一决高下,这个趣味赛要求玩家随机选择英雄,利用英雄技能,谁先抵达终点谁就胜出,担任指挥官。这意味着使用同样的英雄,谁的技能操作更熟练,位移更准确且迅速,谁的能力更强,经验更足,也自然更能胜任指挥官。

这种方法的原理就是比特币使用的工作量证明机制(POW),区块链中哪个节点的算力更强,就更有可能发现下一个区块的有效值。然而正如这个例子中,玩家需要在常规比赛之外再另比一场王者快跑的比赛,而且对于不擅长玩位移英雄的玩家来说不公平。对应到区块链中,节点在处理链上信息的同时,还要时时与其他节点比赛算力,POW算法最终变成算力的角逐,浪费大量算力,也使得POW失去了公平的初衷。

为了节省算力消耗,也有人说不如去五军对决,每人占据一个buff点,等待随机刷新的重生之石。谁先等到刷新的重生之石,谁就成为候选人,如果同时等到,则同时当选候选人,就不用增加过多的比赛。候选人具备竞选指挥官的资格,指挥官由大家投票选出,每人手中仅有宝贵的一票,而第一个收到一半以上票数的候选人即可当选指挥官。这种方法的原理就是Raft算法,像所有人都需等待重生之石随机刷新那样,Raft算法中的普通节点(玩家)需要等待随机的时间变成候选节点(候选人),没投过票的普通节点可以把票投给候选节点,收到一半以上票数的候选节点即可成为领导节点(指挥官)。

 

拒绝作恶:RBFT算法、BFT类拜占庭容错算法

但即使通过上面两种方法选出了指挥官,也并不意味着战队就能统一行动,夺得最终的胜利。可能有队员其实是个“演员”,实际上却并不听从指挥,反而假传指挥官命令给其他队友,带着他们单独行动。这种情况下,保证战队比赛时能够交流真实的有效信息,就尤为重要。在区块链中,这被称作存在作恶节点(拜占庭节点)的情况,此时系统应该如何达成共识呢?

既然如此,干脆取消竞选指挥官的环节,每个人都有担任指挥官的机会,在实战中检验大家的指挥能力。在每局比赛中,系统会不断发出提示,比如“摧毁敌方防御塔”。指挥官筛选出这些消息中的有用消息,再向其他队友转达进攻指令。队友们在收到消息后自行判断这个命令是否合理,如果觉得合理,就回复“收到”,一旦收到超过2/3的其他队友回复的“收到”,就明白大多数队友都会配合,便放心发起进攻。在一局比赛结束后,如果超过2/3的队友认为这局的指挥官不行,就更换指挥官的人选。

这便是趣链高鲁棒性拜占庭容错算法(RBFT)的原理,客户端(系统)给主节点(指挥官)发送请求,主节点(指挥官)收到请求后发送消息给所有从节点(队员),从节点给其他所有节点发送消息确认收到,收到超过2/3确认消息的从节点执行命令,并同时通知其他所有节点,最终将执行结果反馈给客户端,如果主节点出现故障则进行视图切换,更换主节点。

除此之外,RBFT算法在基于普通的拜占庭容错算法的基础上做了诸多改进,比如利用Recovery机制提升了系统的可靠性、拓展性,当队员(从节点)因网络卡顿等原因重新游戏链接(从拜占庭状态中恢复)时,队员能够自动回顾重连过程中错过的战局信息与小队指令(区块信息),让队员能够跟上游戏进度。

RBFT算法-王者荣耀版示意图

RBFT算法示意图
更优化的传递共识:NoxBFT算法、HotStuff算法

但又有人提出,当小队的人数(区块链内节点)变多时,BFT类的算法的要求的所有队友互相交流就会有些麻烦,所有人最好仅与指挥官交流。

为了降低交流的成本,且确保指挥官的指令得到了大部分人的认可,每个人都会在回复指挥官的消息中附上自己的头像(可以理解为指纹、签名,其他人不可盗用) ,而指挥官在给所有人发送最终指令时,会附上这些头像的集合,来证明指令经过了大家的认可,否则队员可以无视指令。除此之外,还把更换指挥官的步骤直接挪到比赛中,以免指挥官在比赛中临时断线或者状态不佳总发送错误指令。

这就是HotStuff算法的原理,它将 BFT 的网状通信网络拓扑变成了星形通信网络拓扑,节点(队员)不再通过 p2p 网络将消息广播给其它节点(队员),而是将消息发送给主节点(指挥官),由主节点处理后发送给其它节点。得益于星型通信网络拓扑,系统的通信复杂度得到了大大降低。它通过将视图切换流程(更换指挥官)和正常流程(比赛)进行合并,也降低了视图切换的复杂度。

 

Basic HotStuff 的流程

在借鉴HotStuff算法的理念后,自研NoxBFT算法,在大规模组网环境下,能够有效降低区块链网络传输的复杂度,提升系统的共识效率与可扩展性。

 

所以,我们支持哪些共识算法?

我们的共识模块采用可拔插的模块化设计,用户可针对不同的业务场景需求按需选择不同的共识算法。目前支持RBFT、NoxBFT、Raft共识算法,这三类算法分别有其适合的场景。

RBFT:具有高性能高鲁棒性,设计了动态数据自动恢复机制与动态共识节点增删机制,大大增强了共识模块的可用性,提升了系统的整体交易吞吐能力和系统稳定性,可达到万级TPS以及毫米级延迟。适用于一般数量级的节点组成的网络环境。

NoxBFT:借鉴Hotstuff算法后自研,通过星型网络拓扑结构将全网网络复杂度由O(n2)降低至O(n),减少了一个量级,并进一步优化算法的活性、可靠性以及数字签名性能,有效解决大规模节点组网场景下共识效率低下、可扩展性不强的问题,现已支持以千为数量级的大规模节点扩展。

Raft:区块链平台支持Raft共识算法保证账本一致性,在联盟各方足够信任的前提下,实现高效共识。该算法仅限于强信任联盟链场景中使用。

 

共识算法未来发展方向

 

区块链共识算法从一开始的算力密集型算法POW、POS开始,后来逐渐演变出减少耗能的选举型共识方式BFT等,整体性能上有4-5个数量级的提升。但随着节点数量增多到几百个甚至更大的共识节点规模,需要交换的信息增多,系统负载及网络通信量增大,性能会有所下降,可扩展性也较弱。如何突破共识性能、带宽瓶颈,实现大规模节点高效共识、增强可扩展性是当前共识研究的重要发展方向。

目前,共识算法的研究尝试结合更多的技术进行优化,比如引入VRF(可验证随机函数)保证主节点选取随机性和公平性,应用DAG(有向无环图)数据结构提升系统吞吐量、结合密码学算法优化共识效率等等,整体趋势上是向混合型共识算法演变。

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