TEN:比較各種共識算法的Finality和Liveness

原作者：靈魂機器由于FLPImposibility原理,Nocompletelyasynchronousconsensusprotocolcantolerateevenasingleunannouncedprocessdeath因此不要浪費時間為純異步網絡設計共識算法。解決辦法就是，要么加強對網絡的要求，要求網絡是Synchronous或者PartiallySynchronous的，或者放松對finality的要求，不要求Deterministicfinality，只要求Probabilisticfinality即可。兩者同時進行也可以。表1各種共識算法比較下面詳細講解一下上面表格中的內容。Finality

Finality看起來和Safety,Consistency很相似，又似乎有所不同，非常容易讓人困惑。簡單的理解，你可以認為Finality,Safety,Consistency是同義詞，即Finality=Safety=Consistency。更深入理解，我認為Finality是一個綜合體，Finality>Safety>Consistency。Consistency適用于所有分布式系統的，包括可信環境例如Hadoop和不可信環境例如Bitcoin；Safety適用于拜占庭環境下；Finality是在區塊鏈這個場景下的術語，區塊鏈是拜占庭場景下的一個子集。Consistency是CAP理論中的C，更加general,要求沒有Finality那么多。Finality包含的含義比Consistency更多更強。Finality包含了下面所有含義：所有節點的數據應是一致的。客戶端發出一個讀操作到任意一個節點，得到的結果應該是一樣的。這個就是CAP里所說的Consistency.這個術語是適用于所有的分布式系統的，包括可信環境例如Hadoop和不可信環境例如Bitcoin。所有節點要確保不進入互相沖突，分裂的狀態，即safety。這個術語是適用于Byzantinefaulttolerance這個領域的，在拜占庭這種開放環境里，有惡意節點會廣播兩個互相沖突的消息，導致全網所有節點陷入分裂狀態，達不成一直，這就破壞了Safety這個性質。所有拜占庭下的共識算法，都需要處理好惡意節點的問題，保證全網的safety。交易一旦進入區塊，應該不可撤銷，即Immutability。在區塊鏈場景下，要保證Safety，不僅需要處理好惡意節點發出雙花交易這種問題，而且還要防止惡意節點撤銷已經打包進區塊的交易。因為區塊鏈是一個單鏈表，是一個線性結構，惡意節點理論上可以從舊的一個區塊出發，分叉處一個更長的新鏈，把自己已經發出去的交易全部撤銷掉，把自己的錢再花一遍綜上，Finality=Consistency+Safety+Immutability。Liveness

現場 | bitflyer創立者：在區塊鏈這個行業上 日本發展是比較慢的:金色財經現場報道，10月2日，N.avenue株式會社在東京舉辦日本區塊鏈大會b.tokyo，在本次大會上，日本交易所bitflyer創立者加納裕三進行了“區塊鏈的互聯網價值如何改變未來社會”的主題演講。他表示：在區塊鏈這個行業上，日本發展是比較慢的。比如在美國發展的非常快。57%的日本企業還沒有開始進行或者是還沒有接觸區塊鏈。從世界上的角度上看，其實區塊鏈已經在進行了，所以日本也在進行，但是我可以斷言，日本一定會進行下去并且確信也可以進行下去。[2019/10/2]

Liveness可以認為與CAP中的Availability等價。當網絡出現partition時，比如海底光纜斷裂，將全球互聯網分割成兩個部分，整個區塊鏈系統是否能正常寫入新的交易？喜歡Finality的共識算法，這時候會選擇無限等待，新的transaction無法寫入，直到海底光纜修復，兩邊的互聯網互通；喜歡Availabilty的共識算法，這時候兩邊網絡會獨立運作，數據分家了，兩邊的全節點中的數據變得不一致。比如Tendermint就是這類，犧牲Liveness追求DeterministicFinality。假設海底光纜斷裂將網絡分為兩邊，那么每一邊都有一半的validator,于是在vote和commit階段，每一邊的所有validator,100%全部投票贊成某個proposalblock，最多只能收到50%的投票，達不到2/3，于是整個區塊鏈網絡會無限等待，直到收集到2/3投票為止。在這個等待期間，無法出下一個塊，新的交易也無法寫入，整個網絡陷入癱瘓。比特幣在碰到這種網絡分割的時候，兩部分的比特幣系統會繼續向前走，依舊可以寫入新的transaction,產生新的區塊，當海底光纜修復后，兩邊互聯網連通后，再選擇合并。在海底光纜沒斷之前，全球所有全節點的狀態是一致的，如下圖：當海底光纜斷裂后，全球網絡被分割為兩部分，兩個部分都會獨立出塊，這時候兩邊已經不一致了，但是兩邊各自是感知不到的，以為自己依舊是一條線性的區塊鏈，如下圖：左邊和右邊，雖然依舊每10分鐘挖出一個新塊，但是左邊的block07和右邊的block07，blockhash是不相等的。這時候比特幣網絡還是available的，只是Finality破壞了。當海底光纜修復后，這時候，兩邊互相同步block，會意識到出現了分叉，如下圖：現在全球所有全節點的狀態，變成上圖，有分叉了，由于兩邊的高度都是8，無法決定哪個分叉是正確的，這時候，就看礦工支持哪邊了，哪邊的算力高，哪邊先出了新塊，那么哪邊就勝出了，短的那條鏈會被拋棄，比如假設右邊搶先新出了一個塊，那么右邊勝出，左邊分叉被拋棄，所有全節點中的數據又變成一條線性區塊鏈，達成一致了，如下圖：其實即使海底光纜不斷，網絡沒有partition,也會經常發生兩個miner各自同時挖出一個新塊的情況，這時候就比拼誰運氣好，下一個新塊繼承哪一個分叉哪一個就勝出。也就說比特幣理論上永遠沒有一個確定性的一致性狀態，分叉隨時會在任意高度上出現，因此比特幣犧牲了一點Finality,換取更強的Liveness。NetworkAssumption

行情 | 比特幣兌法幣交易美元占比較昨日略降 目前為67.17%:Coinhills數據顯示，當前比特幣兌法幣交易占比美元占比67.17%，較昨日略降，仍排名第一；排名第二為日元，占比較昨日略增至24.46%；韓元排名第三，占比為2.76%；排名四五位的分別為歐元（2.40%）、土耳其里拉（1.37%）。[2019/6/10]

所有分布式共識算法都對網絡有一個隱含的假設前提。先說一下網絡的分類：同步：消息一定會在某個的時間T內被送達，這個上限(upperbound)的值T，是已知的常量，所有節點都是知道的。如果消息在T時間內沒有送達，就不對這個消息作指望了，節點認為該消息已經丟失，不會繼續等它。所有節點都有條不紊的，每經過一個時間T，就往前進一步，非常整齊。半同步：消息一定會在某個的時間T內被送達，但這個T的值，不是固定的值，而是動態變化的，例如是根據網絡狀況動態計算出來的。所有節點異步：消息會在任意時間到達，可能很快，也可能很慢，總之沒有一個明確的上限(upperbound)甚至無限期延遲，無論多晚到達，節點都要接受并處理這個消息，不能簡單的因為超時就丟棄消息比特幣對網絡的假設就是網絡是同步的，時間上限是10分鐘左右，一個Miner挖出一個block后，向全網廣播，這時候整個比特幣系統，期望就是這個block在10分鐘內會被所有在線的全節點fullnode收到，意思就是說每隔10分鐘，所有全節點都會整整齊齊地往前走一步，即往自己的區塊鏈尾部追加一個block。即使網速很快，例如3分鐘不到，這個新block已經被所有全節點收到了，比特幣還是會每隔10分鐘往前走一步(出一個新塊)。以太坊類似，不過時間上限是15秒。Tendermint在propose階段假設網絡是半同步的，因為在這一步會有一個超時時間，如果超過時間還沒收到一個proposal新塊，那么其他validator就會認為proposer節點已經掛了，于是出一個空塊，直到round-robin到下一個proposer。Tendermint在prevote和precommit都需要收集超過2/3的投票，是無限等待的，也就是在這兩個階段是假設網絡是異步的。最終，Tendermint對網絡的要求是半同步的。pBFT在pre-prepare,prepare,commit三個階段全部是異步的，既然是異步的，沒有超時機制，那怎么往前進展呢？收集到了超過2/3就能繼續往前進。不過所有節點在收到一個客戶端的請求，都會啟動一個定時器，如果在某個時間內該請求還沒有執行完畢，就會觸發ViewChange。ViewChange這個部分是半同步的。在這里可以體會到Tendermint相比pBFT的簡化之處了。Tendermint把超時機制挪動到了propose階段，如果proposer在規定時間內，廣播出了一個proposalblock，那么就前進到下一步，如果超時了，也前進到下一步，不過這個是proposalblock是一個空塊。也就是無論如何，propose階段都會往前進入到下一步。但是Tendermint的pre-prepare是異步的，有可能永遠卡主。pBFT把超時機制挪動到了ViewChange這一部分，因此pBFT就多出來一個ViewChange步驟，比Tendermint復雜了一些。Tendermint通過提交空塊和round-robin更換proposer節點,而pBFT則是通過ViewChange來更換primary節點。Tendermint消除了復雜的ViewChange這一步驟。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。而pBFT是1999年提出來的，那時候還沒有blockchain這個東西，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。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下圖是Tendermint的算法流程圖：下圖是pBFT的算法流程圖：未完待續。。。參考資料

聲音 | Jimmy Su：京東安全一直在做區塊鏈安全等比較前沿的研究:據北國網消息，負責京東安全硅谷研發中心工作的Jimmy Su告訴記者，他與他的團隊一直都在做著關于賬號安全、數據安全、容器安全、區塊鏈安全等比較前沿的研究。令人欣喜的是，來自中國的安全技術眼下正被愈來愈多運用于國際前沿，特別是跟場景相關的各種技術前景被行業廣泛看好。[2018/11/14]

1999.Castro.PracticalByzantineFaultToleranceTendermint:ByzantineFaultToleranceintheAgeofBlockchainsConsensusCompare:Caspervs.TendermintAProofofStakeoverviewComparedwithtraditionalPBFT,whatadvantagedoesTendermintalgorithmhas?Synchronous,partiallysynchronousandasynchronousconsensusalgorithmsGRANDPABlockFinalityinPolkadot:AnIntroduction(Part1)FinalityinBlockchainConsensus

聲音 | 袁煜明：目前能夠提供區塊鏈法律服務的律師比較稀有:火幣中國CEO袁煜明發微博稱，目前真正能夠提供區塊鏈法律服務的律師，無論是全球還是在中國都是比較稀有的。目前火幣律林積累了可觸達全球100家的律師事務所，合作的律師也有近兩百名。這是能夠為中國區塊鏈行業提供法律服務的基礎。

據金色財經此前報道，火幣致力于打造的區塊鏈+產業服務一站式平臺，下設五大事業部，火幣律林是其中之一。[2018/10/24]

中鈔區塊鏈技術研究院院長張一峰：比特幣、以太幣等和貨幣的基本屬性仍然有比較大的距離 :中鈔區塊鏈技術研究院院長張一峰在接受人民創投·區塊鏈“益言議鏈” 高端系列專訪時認為，數字貨幣，是指央行發行的法定數字貨幣，是以國家的信用做背書的。貨幣的三大職能，第一個就是價值尺度，首先需要保持幣值的相對穩定性。像比特幣，在過去一年里曾漲了近20倍，我們認為這種極不穩定的狀態是不吻合貨幣屬性特征的。張一峰認為，像比特幣、以太幣這些，叫虛擬貨幣也好，叫其他名稱也好，持有者更多是為了投機，今天它表現出來的特征是一種投機資產，和貨幣的基本屬性仍然有比較大的距離。但張一峰也表示，像比特幣這些產物在未來時間里仍會不斷的進化和演變，未來也可能會產生新的價格穩定機制，當然，比特幣從技術和社會實踐角度來講，都是一種創新。[2018/3/30]

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