區塊鏈入門 | 如何用共識算法構建區塊鏈共識網絡？_BFT:BBFT

作者：趙超越

Hi，相信關注區塊鏈的你，一定對經常聽到的“共識”一詞充滿了好奇，那作為區塊鏈靈魂的共識算法到底是什么呢？

今日在線解決三大疑問：共識算法到底是什么？有哪些？未來發展如何？

共識算法到底是什么？

在了解這個概念之前，或許我們得先回顧一下，什么是區塊鏈？我們上期給出的一句話總結是：“區塊鏈是由分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等技術構成的分布式數據庫技術，可為存證溯源、業務協作、數字資產、數據交換等高價值場景提供多方互信的解決方案。”

其中，共識機制就是我們今天要聊到的——共識算法。

共識算法是用于保證分布式系統一致性的機制。這里的一致性可以是交易順序的一致性、賬本一致性、節點狀態的一致性等。

在上期家庭財政舉的例子中，夫妻各自管理自己的賬本時，新增的每一筆收入都需要經過兩人的共同查驗，確認無誤后才會被分別記入二人的賬本中，并確認雙方賬本是否一致。其中“共同查驗”、“確認雙方賬本一致”的過程就是共識。

微眾銀行馬智濤：積極推動區塊鏈應用于產業數字化:12月15日消息，日前，在2021年金鏈盟會員大會暨生態大會上，微眾銀行副行長兼首席信息官、金鏈盟技術委員會主席馬智濤表示，微眾銀行將持續推動金鏈盟發揮好區塊鏈、隱私計算等創新科技的優勢，深化開源生態共創，聚合生態眾力推動產業數字化高質量發展。(中證網)[2021/12/15 7:40:17]

共識算法有哪些？

想要達成共識，我們就必須得解決一個問題：聽誰的？

比比誰更強，誰更快：POW工作量證明、Raft算法。

以「王者榮耀」為例，五個路人剛組好戰隊，需要選出一名指揮官，決定如何在比賽時交流信息，保證行動的一致性，從而一起奪得戰隊賽的好名次。

有人提出在王者快跑一決高下，這個趣味賽要求玩家隨機選擇英雄，利用英雄技能，誰先抵達終點誰就勝出，擔任指揮官。這意味著使用同樣的英雄，誰的技能操作更熟練，位移更準確且迅速，誰的能力更強，經驗更足，也自然更能勝任指揮官。

MASS社區核心開發者Elon：MASS的多鏈生態可誕生更多有趣且具有創新性的區塊鏈場景:1月19日，由霍比特HBTC全球商務VP Elsa Qiu主持的“霍比特E姐有約”第14期，進行了主題為“多鏈并行，MASS帶來容量證明新玩法”的線上AMA，并邀請到北京郵電大學博士、MASS社區核心開發者Elon，為社區用戶帶來了 MASS 項目以及其帶來的多鏈生態的深度分享。

在談到MASS的多鏈生態時，Elon稱：MASS的多鏈生態是更具多樣性的多鏈生態，由于MASS將共識層與區塊協議進行了解耦，在MASS生態中開發者可以發布自定義的鏈，可以自由設定為 UTXO 或者賬戶模型，也不限制任何虛擬機類型，還可以自由設定經濟模型，因此MASS的多鏈生態可誕生更多有趣且具有創新性的區塊鏈場景。而作為維護網絡的節點能夠同時維護多條鏈的安全性，獲得相應獎勵。從投資者的角度，Filecoin目前全網算力接近2000P，是MASS全網算力的8倍左右，而市值是MASS的40倍，算力是礦幣最硬性的指標之一，由此可見，MASS的價值正被嚴重低估。

“霍比特E姐有約”為霍比特交易所線上AMA直播欄目，旨在為社區用戶提供一個直觀、清晰、便捷的平臺了解項目，同時為項目方提供一個直接觸達社區用戶、與社區近距離交流的渠道。[2021/1/19 16:31:58]

這種方法的原理就是比特幣使用的工作量證明機制，區塊鏈中哪個節點的算力更強，就更有可能發現下一個區塊的有效值。然而正如這個例子中，玩家需要在常規比賽之外再另比一場王者快跑的比賽，而且對于不擅長玩位移英雄的玩家來說不公平。對應到區塊鏈中，節點在處理鏈上信息的同時，還要時時與其他節點比賽算力，POW算法最終變成算力的角逐，浪費大量算力，也使得POW失去了公平的初衷。

報告：未來10年區塊鏈將為全球經濟帶來1.76萬億美元增長:咨詢公司普華永道(PwC)的一份最新報告顯示，如果區塊鏈技術在全球范圍內得到大規模應用，2025年將是一個轉折點。此外，到2030年，區塊鏈的應用將為全球國內生產總值(GDP)帶來1.76萬億美元的增長(占全球GDP的1.4%)。根據報告，區塊鏈將對亞洲經濟產生最大的影響，中國、印度和日本是采用區塊鏈的主要國家。[2020/10/13]

為了節省算力消耗，也有人說不如去五軍對決，每人占據一個buff點，等待隨機刷新的重生之石。誰先等到刷新的重生之石，誰就成為候選人，如果同時等到，則同時當選候選人，就不用增加過多的比賽。候選人具備競選指揮官的資格，指揮官由大家投票選出，每人手中僅有寶貴的一票，而第一個收到一半以上票數的候選人即可當選指揮官。這種方法的原理就是Raft算法，像所有人都需等待重生之石隨機刷新那樣，Raft算法中的普通節點需要等待隨機的時間變成候選節點，沒投過票的普通節點可以把票投給候選節點，收到一半以上票數的候選節點即可成為領導節點。

北京市或將建設基于區塊鏈等技術的供應鏈債權債務平臺:昨天上午，北京市十五屆人大常委會第二十三次會議聽取審議《北京市促進中小企業發展條例（修訂草案）》。修訂草案增加了鼓勵發展供應鏈金融的內容，規定，本市支持金融機構基于供應鏈核心部門及企業的信用和交易信息，為上下游中小企業提供應收賬款融資。建設基于區塊鏈等技術的北京市供應鏈債權債務平臺，推動政府部門、國有企業等應付款方及時確認與中小企業的債權債務關系，幫助中小企業提高融資效率，降低融資成本。(北京日報)[2020/7/29]

拒絕作惡：RBFT算法、BFT類拜占庭容錯算法

但即使通過上面兩種方法選出了指揮官，也并不意味著戰隊就能統一行動，奪得最終的勝利。可能有隊員其實是個“演員”，實際上卻并不聽從指揮，反而假傳指揮官命令給其他隊友，帶著他們單獨行動。這種情況下，保證戰隊比賽時能夠交流真實的有效信息，就尤為重要。在區塊鏈中，這被稱作存在作惡節點的情況，此時系統應該如何達成共識呢？

既然如此，干脆取消競選指揮官的環節，每個人都有擔任指揮官的機會，在實戰中檢驗大家的指揮能力。在每局比賽中，系統會不斷發出提示，比如“摧毀敵方防御塔”。指揮官篩選出這些消息中的有用消息，再向其他隊友轉達進攻指令。隊友們在收到消息后自行判斷這個命令是否合理，如果覺得合理，就回復“收到”，一旦收到超過2/3的其他隊友回復的“收到”，就明白大多數隊友都會配合，便放心發起進攻。在一局比賽結束后，如果超過2/3的隊友認為這局的指揮官不行，就更換指揮官的人選。

行情 | 在美上市區塊鏈概念股普漲:今日美股開盤，在美上市區塊鏈概念股普漲。人人網上漲1.14%，寺庫上漲1.83%，中網載線上漲0.49%，迅雷上漲1.61%，獵豹移動上漲1.83%，蘭亭集勢上漲0.61%，優點互動上漲4.99%。[2018/8/23]

這便是趣鏈高魯棒性拜占庭容錯算法的原理，客戶端給主節點發送請求，主節點收到請求后發送消息給所有從節點，從節點給其他所有節點發送消息確認收到，收到超過2/3確認消息的從節點執行命令，并同時通知其他所有節點，最終將執行結果反饋給客戶端，如果主節點出現故障則進行視圖切換，更換主節點。

除此之外，RBFT算法在基于普通的拜占庭容錯算法的基礎上做了諸多改進，比如利用Recovery機制提升了系統的可靠性、拓展性，當隊員因網絡卡頓等原因重新游戲鏈接時，隊員能夠自動回顧重連過程中錯過的戰局信息與小隊指令，讓隊員能夠跟上游戲進度。

RBFT算法-王者榮耀版示意圖

RBFT算法示意圖

更優化的傳遞共識：NoxBFT算法、HotStuff算法

但又有人提出，當小隊的人數變多時，BFT類的算法的要求的所有隊友互相交流就會有些麻煩，所有人最好僅與指揮官交流。

為了降低交流的成本，且確保指揮官的指令得到了大部分人的認可，每個人都會在回復指揮官的消息中附上自己的頭像，而指揮官在給所有人發送最終指令時，會附上這些頭像的集合，來證明指令經過了大家的認可，否則隊員可以無視指令。除此之外，還把更換指揮官的步驟直接挪到比賽中，以免指揮官在比賽中臨時斷線或者狀態不佳總發送錯誤指令。

這就是HotStuff算法的原理，它將BFT的網狀通信網絡拓撲變成了星形通信網絡拓撲，節點不再通過p2p網絡將消息廣播給其它節點，而是將消息發送給主節點，由主節點處理后發送給其它節點。得益于星型通信網絡拓撲，系統的通信復雜度得到了大大降低。它通過將視圖切換流程和正常流程進行合并，也降低了視圖切換的復雜度。

BasicHotStuff的流程

在借鑒HotStuff算法的理念后，自研NoxBFT算法，在大規模組網環境下，能夠有效降低區塊鏈網絡傳輸的復雜度，提升系統的共識效率與可擴展性。

所以，我們支持哪些共識算法？

我們的共識模塊采用可拔插的模塊化設計，用戶可針對不同的業務場景需求按需選擇不同的共識算法。目前支持RBFT、NoxBFT、Raft共識算法，這三類算法分別有其適合的場景。

RBFT：具有高性能高魯棒性，設計了動態數據自動恢復機制與動態共識節點增刪機制，大大增強了共識模塊的可用性，提升了系統的整體交易吞吐能力和系統穩定性，可達到萬級TPS以及毫米級延遲。適用于一般數量級的節點組成的網絡環境。

NoxBFT：借鑒Hotstuff算法后自研，通過星型網絡拓撲結構將全網網絡復雜度由O(n2)降低至O(n)，減少了一個量級，并進一步優化算法的活性、可靠性以及數字簽名性能，有效解決大規模節點組網場景下共識效率低下、可擴展性不強的問題，現已支持以千為數量級的大規模節點擴展。

Raft：區塊鏈平臺支持Raft共識算法保證賬本一致性，在聯盟各方足夠信任的前提下，實現高效共識。該算法僅限于強信任聯盟鏈場景中使用。

共識算法未來發展方向

區塊鏈共識算法從一開始的算力密集型算法POW、POS開始，后來逐漸演變出減少耗能的選舉型共識方式BFT等，整體性能上有4-5個數量級的提升。但隨著節點數量增多到幾百個甚至更大的共識節點規模，需要交換的信息增多，系統負載及網絡通信量增大，性能會有所下降，可擴展性也較弱。如何突破共識性能、帶寬瓶頸，實現大規模節點高效共識、增強可擴展性是當前共識研究的重要發展方向。

目前，共識算法的研究嘗試結合更多的技術進行優化，比如引入VRF保證主節點選取隨機性和公平性，應用DAG數據結構提升系統吞吐量、結合密碼學算法優化共識效率等等，整體趨勢上是向混合型共識算法演變。

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