PRO:詳解Tendermint共識算法

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

數據：美國實體持有的BTC數量較一年前減少11%:6月5日消息，據Glassnode數據顯示，目前美國實體持有的BTC數量比2022年6月減少了11%，而同一時間段內的亞洲市場活躍投資者數量則增加了9.9%，這種情況與2020-21牛市周期有很大不同。在穩定幣方面，USDT供應量近期創下歷史新高，由于穩定幣是不計息的，因此表明隨著監管壓力不斷增加，美國市場資金在數字資產上的活躍度已有所下降。[2023/6/5 21:16:11]

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

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

Lifeform推出生態合作伙伴計劃:3月24日消息，DID解決方案提供商Lifeform現已推出生態合作伙伴計劃，旨在構建更加開放和互聯的元宇宙生態系統。

Lifeform將為合作伙伴提供全面的支持，包括330萬用戶流量支持、全套WEB3 DID Solution、高效率的技術支持、市場運營策略和IGO Launchpad。Lifeform致力于為虛擬人賦予生命，讓元宇宙互聯互通，形成多元數字世界。[2023/3/24 13:23:55]

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

比特幣市值占比為40.2%:金色財經報道，據CoinGecko數據顯示，當前加密貨幣總市值為1.1萬億美元，24小時跌幅達0.2%，24小時交易量為527.37億美元，當前比特幣市值占比為40.2%，以太坊市值占比為17.4%。[2023/2/26 12:29:35]

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

以太坊Layer2上總鎖倉量為53.2億美元:金色財經報道，L2BEAT數據顯示，截至目前，以太坊Layer2上總鎖倉量為53.2億美元，近7日跌0.71%。其中鎖倉量最高的為擴容方案ArbitrumOne，約26.8億美元，占比50.47%，其次是Optimism，鎖倉量16.8億美元，占比31.57%。[2023/1/29 11:34:41]

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。

報告：俄羅斯2022年第四季度比特幣礦機銷量飆升:金色財經報道，根據俄羅斯一家媒體公司最近發布的報告表示，2022年第四季度，比特幣礦機的銷量迅速飆升。Chilkoot是該國加密采礦設備的官方經銷商之一，其數據顯示，該公司第四季度前兩個月的銷售額超過了整個第三季度。該公司今年的銷售額一直在膨脹，今年前9個月的銷售額比2021年高出65%。

礦企Xive的聯合創始人Didar Bekbauov也在推特上分享了他對挖礦興趣日益濃厚的看法，由于俄羅斯家庭和企業的廉價的能源電力、廉價的ASIC價格、制裁、較少的投資機會使得比特幣挖礦成為俄羅斯非常有吸引力的行業。

據悉，俄羅斯最初計劃禁止在該國進行加密貨幣挖礦，但后來決定改變立場。官員們計劃在電力充足的地區使加密貨幣挖礦合法化，并在能源稀缺的地區禁止挖礦。目前，俄羅斯議會也在制定一項法案，使該國的加密貨幣挖礦活動合法化。[2022/12/3 21:20:10]

π-calculus形式化證明

待續TODO參考資料

Tendermint:ByzantineFaultToleranceintheAgeofBlockchainsTendermint:Consensuswithoutmining

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