本系列分上下兩篇任柜，對鏈化未來共識協(xié)議進行詳細介紹枫笛。文章首先介紹了常見共識協(xié)議的PoW吨灭，PoS，DPoS刑巧，從而引出了鏈化未來基于BFT的隨機PoS共識算法（RPoS）喧兄，隨后詳細介紹了鏈化未來共識協(xié)議的架構、消息類型啊楚、詳細流程以及節(jié)點狀態(tài)圖等內容吠冤。文章最后對鏈化未來共識協(xié)議用到的關鍵技術進行了總結說明。
1.共識協(xié)議簡介
Byzantine fault tolerance(BFT)問題[1]描述了在分布式計算機系統(tǒng)中恭理，當部分節(jié)點發(fā)生網絡延時拯辙，數據包丟失，宕機颜价，作惡等情況發(fā)生時涯保，誠實的節(jié)點如何能夠保持狀態(tài)的一致性，達成共識周伦。L. Lamport[1]給出了兩種解決方案夕春，時間復雜度為O(n^m)口頭消息和時間復雜度O(n*m)的書面消息方案。Miguel Castro和Barbara Liskov提出了Practical Byzantine fault tolerance(PBFT)[2]横辆，解決了原始BFT算法效率不高的問題撇他，將算法復雜度由指數級降低到多項式級茄猫，使拜占庭容錯在實際應用中變得可行。
2008年困肩，比特幣[3]的問世划纽，它用一種全新的思路解決了比BFT問題更復雜的問題[4]。任何節(jié)點不需要批準就可以加入比特幣網絡锌畸，也就是permissionless或公有鏈勇劣，與PBFT需要permission或聯盟鏈有本質的區(qū)別，它是完全去中心化的潭枣。在公有鏈中比默，不知道有多少節(jié)點，節(jié)點是誰盆犁，不能用BFT中少數服從多數的原則命咐，而是用一種叫Proof of work(PoW)的算法。PoW通過一次次修改nonce值做哈希碰撞谐岁，使得哈希值前導0的個數滿足某個值(難度系數)醋奠，然后節(jié)點通過最長鏈原則達到共識。比特幣網絡的容錯率是50%伊佃，只有超過半數節(jié)點是誠實的窜司，比特幣網絡就是安全的。比特幣網絡通過經濟激勵機制獎勵誠實節(jié)點航揉，對作惡進行隱式的懲罰(消耗了算力和電力塞祈，但是沒有得到獎勵)來保證至少有51%的誠實節(jié)點。以太坊1.0[5]加入了圖靈完備的智能合約帅涂，讓區(qū)塊鏈成為世界的計算機议薪；共識方面，吸取比特幣存在Application Specific Integrated Circuit(ASIC)挖礦導致算力集中[6]媳友，以太坊1.0基于memory-hardness笙蒙，讓內存IO成為挖礦瓶頸，達到抗ASIC挖礦庆锦。共識周期也從比特幣網絡的10分鐘降到了15秒出塊，由于出塊時間變短轧葛，分叉的概率變大搂抒，為了抵抗Selfish Mining，以太坊不再使用比特幣的最長鏈原則尿扯，而是貪婪最重可觀察子樹規(guī)則(GHOST)求晶。
比特幣的吞吐量7筆/秒，而以太坊也只有15筆/秒衷笋。PoW共識除了性能低外芳杏，對資源的浪費[7]，算力集中化[8]。為了提高區(qū)塊鏈性能爵赵，減少挖礦導致資源消耗吝秕，解決由于網絡效應導致算力集中問題，研究人員提出Proof of Stake(PoS), Delegate Proof of Stake(DPoS)等[9-15]共識算法空幻。
Proof of Stake(PoS)烁峭，節(jié)點通過抵押代幣加入共識，抵押代幣的方式使節(jié)點更分散[16]秕铛，它是一種無需許可的共識算法约郁。其中，一些PoS算法[9-12]是基于BFT的但两，通過持有代幣或抵押成為驗證節(jié)點鬓梅，然后在驗證節(jié)點中選出leader，leader提塊再做2輪或3輪投票確定塊谨湘。Tendermint[9]首次把BFT引入到PoS共識绽快，節(jié)點通過抵押代幣成為Validator，Validator具有提塊和投票權悲关。系統(tǒng)每個塊高開始基于Round-Robin算法谎僻，從Validator集合中選擇一個成為Proposer，Proposer節(jié)點提塊并廣播寓辱，Validator對塊進行投票艘绍，pre-vote階段結束時，如果節(jié)點收齊2/3 Validator節(jié)點的投票秫筏，則在pre-commit開始時繼續(xù)投該塊诱鞠，否則在pre-commit階段開始時投nil塊；在pre-commit結束時这敬，收齊2/3 Validator的投票則commit該塊航夺，否則更換proposer，重新開始崔涂。Tendermint的Proposer是可以預知的阳掐，在開放的網絡中容易遭受DDoS攻擊，導致系統(tǒng)不能提供服務冷蚂。Algorand[10]通過可驗證隨機函數(VRF)得到hash和證明pi,然后根據持有代幣分布計算節(jié)點是否是提塊者缭保。其他節(jié)點可以通過VRF驗證提塊者的角色。Algorand通過VRF有效的解決了leader提前暴露問題蝙茶，但是艺骂，每輪提塊者的個數不確定會導致網絡風暴。以太坊2.0共識算法Casper[11]為了提高性能也采用BFT的思路隆夯，但是引入一些約束和處罰措施[18]：同一塊高投票者只能投一個塊钳恕；節(jié)點離線一定時間將受到不同程度的押金罰沒别伏；驗證節(jié)點是動態(tài)變化等。Casper通過博弈論的設計忧额，約束節(jié)點按設想的方式運行厘肮，已達到網絡的穩(wěn)定運行。目前以太坊2.0已經按計劃開發(fā)中宙址，Phase 0階段將在2020年初上線轴脐。HoneyBadgerBFT[12]認為網絡延時是共識最主要的瓶頸之一，帶上交易的塊會造成轉發(fā)節(jié)點網絡擁堵抡砂，延時大咱。HoneyBadgerBFT提出了一種新的思路，讓網絡中節(jié)點緩存中的交易一致注益，只要對確定選取哪些交易的值進行BFT共識就可以碴巾。節(jié)點隨機轉發(fā)一批交易，交易就能達到所有的節(jié)點;value的傳播用到的門限加密丑搔，只有超過1/3的節(jié)點合作才能得到value值厦瓢。另外一些基于chain的PoS算法，如Dfinity[13]啤月，通過閾值中繼和聚合簽名(BLS)產生隨機數煮仇，引入見證人角色，提塊者提塊之后谎仲，被見證人確認浙垫。
DPoS是2014年由Bitshares[14]首席開發(fā)者，現為EOS[15] CTO Dan Larimer提出郑诺。與PoS抵押代幣就可以參與共識這種“民主制度”相比夹姥，DPoS更像“人民代表大會”或“代議制”，持幣人投票選舉共識節(jié)點辙诞，每個周期節(jié)點輪流出塊辙售，每過一個周期節(jié)點洗牌一次，打亂原有的順序飞涂。節(jié)點由專業(yè)的團隊運營旦部，通過配置更強的CPU，更快的帶寬较店，更大的內存志鹃，整個網絡的性能有極大的提升。但是泽西，DPoS算法比較中心化[17]，與去中心化的區(qū)塊鏈原教旨主義背道而馳缰趋。
鑒于以上共識算法的特點捧杉，我們提出了一種隨機PoS共識算法(RPoS)陕见。主要有幾個特點：
(1). 基于BFT，正常情況下味抖，我們需要BA0评甜，BA1兩個階段完成共識，與Tendermint的pre-vote和pre-commit兩階段類似仔涩。但是忍坷，與Tendermint在pre-commit階段無法達成2/3 Validator共識重新選Proposer不一樣的是，我們引入了BAX階段熔脂，加快網絡異常的時候網絡恢復佩研。
(2). 基于密碼學創(chuàng)新的隨機數產生算法。礦工通過抵押代幣成為main角色霞揉，普通用戶通過抵押代幣成為waiter角色旬薯；在一個投票周期中，main和waiter通過計算vrf值分別投到隨機數合約中main和waiter pool适秩；合約根據權重用main和waiter pool中vrf隨機數生成最終的隨機數绊序，投票者可以獲得獎勵，而不投票這將被扣除一定數量的抵押代幣秽荞。創(chuàng)新的隨機數產生算法有效地解決了“成員拒絕提交”骤公，“setup過程復雜”，“成員串謀操縱”等多種困擾隨機數生成的問題扬跋。
(3). 固定的交易確認時間阶捆，2階段投票敲定最終塊。在我們的真實環(huán)境中胁住，99.99%的情況下趁猴，經過2階段投票后就可以確定塊。
(4). 硬件兼容性強彪见，通過同步算法機制對高速節(jié)點和慢速節(jié)點進行時序協(xié)調儡司，保持整個網絡節(jié)點同步，適應不同計算性能的硬件節(jié)點余指。
(5). 提供多種靈活接入方案（靜態(tài)捕犬、P2P、TCP酵镜、KCP等）碉碉，適應復雜多變的網絡環(huán)境。節(jié)點在身份認證的基礎上自動發(fā)現淮韭，自動建鏈垢粮，動態(tài)維護網絡的聯通性。
(6). 采用BLS（聚合簽名）技術快速確認塊靠粪，提高安全性的同時節(jié)省存儲空間蜡吧。
2.鏈化未來共識協(xié)議
2.1.兩層架構
?網絡層（layer0）：
???? Gossip網絡毫蚓，節(jié)點自動發(fā)現、自動建鏈昔善、身份驗證元潘、動態(tài)拓撲維護等。
?共識層（layer1）：
?????鏈化未來共識算法君仆。
圖1鏈化未來共識模塊圖
2.1.1.網絡層（layer0）
去中心化的網絡系統(tǒng)中翩概，節(jié)點與節(jié)點的聯通性非常重要，它決定了共識協(xié)議的傳播返咱、數據的同步等是否能及時并準確地到達系統(tǒng)的各個角落钥庇。由于節(jié)點的加入和離開的不可控性，系統(tǒng)還需要考慮網絡拓撲的動態(tài)變更洛姑，即在鄰居節(jié)點斷開后及時的鏈接到其他節(jié)點上沐，從而維護系統(tǒng)的健壯性。
鏈化未來網絡基于輔助節(jié)點（seed）楞艾，通過一系列點對點報文的交互發(fā)現網絡中的其他對等節(jié)點参咙。并隨機的與對等節(jié)點建立網絡連接。鏈接之間的绷蛎校活報文能夠在鏈接斷開或網絡狀態(tài)不穩(wěn)定時蕴侧，及時的鄰居節(jié)點，實現拓撲的動態(tài)變更两入。
鏈化未來網絡層有以下幾方面的優(yōu)勢：
非常方便的節(jié)點發(fā)現净宵，節(jié)點間隨機互聯，即保障安全性裹纳，又足夠去中心化择葡。
提供UPNP配置開關，在支持upnp映射的網絡中自動映射upnp地址剃氧，方便其他節(jié)點連接到本節(jié)點敏储。
反向鏈接技術，當前節(jié)點不能鏈接到其他節(jié)點時朋鞍，請求對方的反向鏈接已添，這在公網IP請求私網的鏈接場景中有極大的意義。
NAT穿透技術滥酥，可以穿透NAT網關后的局域網節(jié)點更舞，構建更隨機的、去中心化更高的網絡坎吻。
支持多種接入方式：如TCP缆蝉、KCP、靜態(tài)鏈接、動態(tài)p2p鏈接等返奉。
2.1.2.共識層（layer1）
節(jié)點角色定義：
節(jié)點在抵押后贝搁，自動成為committee成員。committee包括proposer節(jié)點和voter節(jié)點芽偏。未抵押節(jié)點為listen節(jié)點。
proposer節(jié)點：
通過隨機數在committee成員中隨機選出的提塊者弦讽，負責本輪提塊和發(fā)送propose消息污尉。
voter節(jié)點：
committee成員，需要抵押往产。本輪未被選為proposer的committee成員被碗，自動成為voter，負責對proposer提的塊（propose消息）執(zhí)行驗證仿村，驗證通過后簽名并發(fā)送echo消息（投票）锐朴，驗證不通過丟棄propose消息并可能對作惡節(jié)點發(fā)起懲罰。
listen節(jié)點：
未抵押節(jié)點蔼囊，無權提塊和驗證塊焚志，可以隨整個系統(tǒng)正常出塊。
2.2.主要消息類型
propose消息：
由proposer節(jié)點發(fā)出的提塊消息畏鼓，需要voter節(jié)點接收并驗證確認酱酬。消息內容主要包括：塊數據（包含交易）、proposer自己的簽名用于確認身份云矫。
echo消息：
voter對propose消息驗證并通過后膳沽，發(fā)送echo消息通知其它節(jié)點。消息內容主要包括：塊id让禀、voter自己的簽名挑社、bls簽名、輪次信息等巡揍。
sync消息：
塊同步消息痛阻，用于兩個節(jié)點間傳遞塊數據。消息內容主要包括：塊id吼肥、起始塊录平、結束塊、消息序列號等缀皱。
2.3.投票選舉流程
鏈化未來采用基于BFT的RPOS算法斗这，正常情況通過2輪投票達成共識。
第一輪（ba0階段）：
由proposer節(jié)點提塊啤斗，voter節(jié)點驗證塊表箭，并對本輪出塊進行第一次投票。
第二輪（ba1階段）：
所有節(jié)點基于第一輪的投票結果钮莲，再次投票確認免钻，只有當2/3 voter對本輪出塊達成一致彼水，才能出塊并進入下一個塊的共識。每個輪次持續(xù)5秒极舔，正常情況2輪10秒出塊凤覆。
bax輪：
當遇到網絡風暴等異常情況，2輪投票后仍然無法達成共識拆魏，則進入bax輪次盯桦，出塊時間不定，出塊條件仍然需要超過2/3節(jié)點對本輪出塊達成共識渤刃。
