PlatON proof of stakeGiskard Byzantine Fault Tolerance

本文我们将简朴先容PPoS共识和BFT理论,并剖析PBFT算法特征及PBFT存在的问题,厥后重点剖析Giskard BFT借鉴PBFT、Tendermint、Hotstuff等共识协议的演进之路。

区块链手艺本质脱离不开传统漫衍式系统。漫衍式一致性算法是传统漫衍式系统的一浩劫题,经由耐久的研究和应用,降生了如paxos、raft、zab等成熟平安的算法。

相比于传统的漫衍式系统,公共区块链中没有中央化的假设,任何节点都可以加入并自由接见所有的数据,因此公链中不能制止会存在恶意节点。以是,区块链系统中的共识机制不仅需要支持CFT(Crash fault tolerance) 还需要支持BFT(Byzantine Fault Tolerance) 。BFT是一个已经被研究得对照透彻的理论,PBFT是其中最为著名的实现算法,现在普遍应用于各大区块链系统中。

PlatON的Giskard共识协议由概率性权益证实PPoS(PlatON proof of stake)和Giskard拜占庭容错协议-Giskard BFT(Giskard Byzantine Fault Tolerance) 组成。PPoS使用质押、委托、随机选取的形式选出介入共识的验证节点,Giskard BFT使用类BFT算法实现区块的生产和验证。

PPOS——验证节点选取

在先容PPoS之前,我们先科普一下PoS,现在PoS共识方案可以分为四类:

PoS共识概述

Chain-Based

这是早期的一代PoS。凭证持有token的数目伪随机地选择验证人举行区块生产。其中尚有PoS+PoW方案,一样平常是PoW出块,通过PoS选择验证人举行验证,以太坊的Casper1.0也是一种夹杂PoS/PoW的方案,作为其从PoW转换到PoS的中央方案。

DPoS (Delegated Proof of Stake)

委托权益证实。每个token持有人可以把权力委托给部门代表,由代表介入区块的生产和验证。

VRF (Verifiable Random Function)

可验证随机函数用于验证节点的随机选取。现在,Dfinity、Cardano和Algorand等接纳了这种方案。

BFT (Byzantine Fault Tolerance)

拜占庭容错。选出验证节点后通过运行BFT协议经由多轮投票确认区块完成共识。现在Tendermint、Stellar、Ontology、Zilliqa、NEO等都是接纳这类共识算法。

PlatON的共识方案PPoS,也就是我们常说的概率性权益证实,它本质是一种PoS共识方案,凭证节点的权益绘制成二项漫衍累积漫衍曲线,并使用VRF随机选取验证节点。

PPoS解决的要害焦点点在于验证人的选取不仅与节点权益的巨细有关,还兼具随机性,也就是说选出的验证节点纷歧定是权益最高的节点,权益较低的节点也有一定的选中概率。随机性算法可以保证选取的效果不能展望、不能操控且公正可靠。PPoS本质上是PoS+VRF方案的连系。

简朴总结就是:PPoS提供了一种尽可能公正、随机地从众多介入节点中选取出若干验证节点的方案。

BFT——区块共识

验证节点被选举出来之后,运行共识协议举行区块生产和验证,整个历程需要节点之间相互协作,对区块举行相互确认,得出一致结论,杀青区块共识。

上文中提到,区块链中的共识算法不仅需要思量Crash节点,还需要思量Byzantine节点。什么是拜占庭节点?我们从一个故事提及。

拜占庭将军问题

拜占庭罗马帝国河山辽阔,为了到达防御目的,每块封地都驻扎一支由将军统领的军队,每个军队都离开很远,将军与将军之间只能靠信差通报新闻。 

在战争的时刻,拜占庭军队内所有将军必须杀青一致的共识,决议是否有赢的时机才去攻打敌人的阵营。然则,在军队内有可能存有叛徒和敌军的特工,左右将军们的决议影响将军们杀青一致共识。在已知有将军是叛徒的情形下,其余忠诚的将军若何杀青一致协议的问题,这就是拜占庭将军问题。

拜占庭将军问题所形貌的是好的将军不知道其他将军是好的,照样坏的,但所有好的将军的目的是:行动一致,配合进退。以是,他们需要在计谋上杀青一致。

看到这里,信托人人对拜占庭节点也有了劈头的明晰。简朴地说,在区块链系统中存在以下两类错误:

    要让这个问题有解,还需要先引入一个观点——漫衍式网络模子,根据漫衍式系统理论,漫衍式系统的网络模子分为三类:

    • 同步网络模子:节点所发出的新闻,在一个确定的时间内,一定会到达目的节点

    • 异步网络模子:节点所发出的新闻,不能确定一定会到达目的节点

    • 部门同步网络模子:节点发出的新闻,虽然会有延迟,然则最终会到达目的节点

    拜占庭将军问题的解决,有一个十分主要的条件,那就是通讯信道必须是可靠的。若是信道不能保证可靠,那么拜占庭问题无解。这也就是FLP不能能原理,即在异步网络模子假定下,共识算法不能能同时知足平安性(safety)和活跃性(liveness),也就是说,在一个不能靠的通讯链路上试图通过通讯以杀青一致是基本不能能或者十分难题的。至于什么是平安性和活跃性,我们后面再说。

    着实,拜占庭将军问题最早是由Leslie Lamport在1982年揭晓的论文《The Byzantine Generals Problem》提出的,他证实了在将军总数大于3f,倒戈者为f或者更少时,忠诚的将军可以杀青下令上的一致,即3f+1<=n。而Miguel Castro和Barbara Liskov在1999年揭晓的论文《Practical Byzantine Fault Tolerance》中首次提出PBFT算法,该算法容错数目也知足3f+1<=n。

    BFT是一个已经被研究得对照透彻的理论,它告诉我们,基于部门同步网络模子的假定,在不跨越三分之一的故障节点和作恶节点情形下,非拜占庭节点之间可到达最终一致性。PBFT是其中最为著名的实现算法,意为适用拜占庭容错算法。现在,区块链的共识算法大多都是基于BFT的实现。Giskard BFT也是由PBFT演进而来。

    PBFT算法在区块链共识的应用

    PBFT算法被普遍应用于种种区块链共识,它不仅解决了共识历程中可能发生的拜占庭节点问题,同时也使系统始终能够保持两个属性:平安性(safety)和活跃性(liveness)。

    • 平安性:在Crash节点和Byzantine节点两类错误发生时,共识系统不能发生错误的效果。在区块链中,指的是不会发生双重破费和分叉。

    • 活跃性:系统一直能延续发生提交,在区块链中,指的是共识会延续举行,不会卡住。若是一个区块链系统的共识不能延续,那么系统无法响应客户端新的生意请求,也就是不知足liveness。

    我们直接以PBFT算法在区块链共识的应用为例,总结算法的焦点流程:

    PBFT的共识历程

    由上图可知,PBFT是一个典型的三阶段提交算法:

    • pre-prepare(准备阶段):各节点卖力吸收区块、执行区块,发生区块投票署名,最先广播署名给所有共识节点

    • prepare(准备阶段):各节点卖力网络署名,某节点网络满2*f的署名后,注释自身到达可以提交区块的状态,最先广播Commit包

    • Commit(提交阶段):各节点卖力网络Commit包,某节点网络满2*f+1的Commit包后,直接将内陆缓存的最新区块提交到数据库

    看到这里,也许你会有以下疑问:

    为什么差异阶段所需要的署名个数差异

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    对于prepare和commit阶段来说,思量最坏的情形:我们假设收到f个是正常节点发过来的署名,也有f个是恶意节点发过来的,那么,第2*f+1个署名只可能是正常节点发过来的(由于我们限制了最多只有f个恶意节点)。由此可知,「大多数」正常的节点照样可以让系统事情下去的。以是2*f+1这个参数和n>=3f+1的要求是逻辑自洽的。而在prepare阶段,节点0发出新闻即可以为确认新闻,以是prepare阶段只需网络2*f个署名。

    为什么只有两阶段新闻不能杀青一致性

    只有pre-prepare和prepare两个阶段新闻是无法杀青一致的。举例说明,假设没有commit阶段,节点1在prepare阶段网络满2*f的署名后,到达Prepared状态,然而这个Prepared仅是节点1的一个局部视角,不是全局一致,此时节点1不能保证其余节点都到达Prepared状态,若是少于f个非拜占庭节点成为Prepared状态,节点1又确认了该新闻,那么系统就泛起了纷歧致。

    为什么三阶段新闻可以杀青一致性

    说到这里,着实就很好明晰为什么三阶段新闻可以杀青一致性,某节点网络满2*f+1的Commit包意味着有f+1个非拜占庭节点杀青了Prepared状态,也就意味着「多数」节点已经认同了新闻。

    下面,我们再先容PBFT的视图和视图切换流程。

    PBFT共识算法使用视图view纪录每个节点的共识状态,相同视图节点维护相同的Leader和Replicas节点列表。当Leader泛起故障,为了保证协议活跃性(liveness),会发生视图切换,若视图切换乐成(至少2*f+1个节点到达相同视图),则凭证新的视图选出新leader 。

    话不多说,直接上视图切换流程图:

    PBFT的视图切换流程

    PBFT的视图切换流程也分为三个阶段:

    • view-change:各副本节点(Replica) 以为主节点(Primary)有问题时,会向其它节点发送view-change新闻

    • view-change-ack:各节点吸收到2*f+1 个view-change新闻后,选举当前存活的节点编号最小的节点成为新的主节点,并向该节点发送view-change-ack新闻

    • new-view:当新的主节点收到2*f+1个其它节点的view-change-ack新闻后,向其它节点广播new-view新闻。注重:从节点不会提议new-view事宜

    通过对共识流程的剖析,信托人人对view切换流程都能够很好地明晰,这里我们不再赘述。接下来我们着重剖析PBFT算法存在的问题,以及Giskard BFT改善优化。

    PBFT存在的问题

    通过对PBFT共识流程三阶段的详细剖析,可以看到新闻传输的开销很大。系统在实验杀青状态共识时,涉及到n个节点都需要广播新闻到n-1个其它节点,因此算法通讯庞漂亮到达 O(n²),在节点数目为1000的情形下所需要交流的通讯量为1,000,000。有实验得出当节点数目跨越20时,算法的性能会急剧下降。

    另外,在PBFT选举Leader的历程中,有可能经由多轮交互,选举出的Leader一直长时间运行,直到Leader节点泛起故障才提议视图切换流程。但在区块链系统中,视图view示意一个共识单元,共识历程由一个接一个的view组成,每个view中由一个确定的提议人来主导共识协议,发生区块,其余验证人对区块举行投票署名杀青共识。由于节点发生区块与利益相关(如记账权,区块奖励等),因此需要频仍地替换出块节点,也就是需要频仍地切换视图view,这势必会带来伟大的网络资源消耗。

    Giskard BFT共识优化

    以是我们基于BFT协议,连系区块链的特征,主要围绕着以下几点举行协议优化,设计了Giskard BFT 。

    view-change流程优化

    所有的BFT协议都通过view-change来替换主节点。PBFT,SBFT等协议具有自力的view-change流程,当主节点出问题后才触发。而在Tendermint、HotStuff等协议中没有显式的view-change流程、view-change流程合入正常流程中,因此提高了view-change的效率,将view-change的通讯庞漂亮降低。

    Giskard BFT也是基于view的的共识协议,为降低通讯庞漂亮,Giskard BFT也没有显式的view change流程,而是把这个流程和正常出块流程连系。Giskard BFT约定每个提议节点在本视图内延续发生10个区块,而且每个区块都杀青QC(Quorum Certificate,示意节点收到针对该区块的2*f+1个署名)状态后,则自动切换到下一个view ,不需要单独的view-change投票流程。

    下图是显式的ViewChange流程,可以看到它并没有类似PBFT中的view-change-ack和new-view阶段,这两个流程被后续的prepareQC(n)举行取代。

    Giskard BFT viewchange投票流程

    总结一下,view-change流程优化的两个重点:

    • 不需要显式的view change流程,削减投票动作。

    • 没有view-change-ack和new-view阶段,而是连系区块链特征,由后续的prepareQC(n)对新的view举行「间接」确认。

    应用BLS聚合署名

    为了进一步削减新闻通讯量,我们接纳了聚合署名手艺。业界主流的聚合署名方案是BLS聚合署名。BLS聚合署名是在BLS署名方案基础上的扩展方案。

    在Giskard BFT中,我们把针对block和view-change新闻的多个节点署名聚合成一个署名,可以简朴地明晰为:把多个节点的一段很长的署名「压缩」为一个署名。这种做法极大地降低了通讯量,对提高协议的通讯效率也起到了很大的作用。

    区块生产和验证并行化

    此处优化是Giskard BFT的独到创新之处。这里的并行指的是:区块生产和区块验证的并行化。

    上文提到,Giskard BFT是基于视图view的共识协议,每个提议节点在本视图内延续发生10个区块,并行流程如下:

    • 提议节点在一个view内可以延续提议多个区块,下一个区块的发生不用等上一个区块到达QC状态。

    • 验证人在吸收上一个区块投票的同时,可以并行执行下个区块的生意。

    这种做法极大提凌驾块速率,也提高了系统的共识性能。

    引进pipeline方式对区块举行确认

    在传统BFT主导的区块链系统中,每个区块的共识通常都需要履历明确的Pre-Commit和Commit阶段才最终确认:

    • Pre-Commit:当节点收到2*f+1个 Prepare投票时会广播Pre-Commit,Pre-Commit可以看作对Prepare阶段简直认。

    • Commit:当收到2*f+1个 Pre-Commit投票时,注释所有节点对指定新闻杀青一致,提交到内陆磁盘。

    Giskard BFT中的每个区块只有Prepare投票,没有明确的Pre-Commit和Commit阶段,那么区块若何到达最终简直认呢?Giskard BFT可看作Pipeline版本的BFT ,每个prepareQC都是对前面区块更高阶段简直认。

    Giskard BFT 的区块确认流程

    如图所示prepareQC(2)作为Block(1)的Pre-Commit阶段prepareQC(3)作为Block(1)的Commit阶段,Block(2)的Pre-Commit阶段。

    简朴来说,就是「省略」了PBFT的Commit阶段,这里读者可能有疑虑:前文不是明确给出结论,必须通过三阶段新闻才气杀青一致性?着实Giskard BFT不是真的没有Commit阶段,而是连系区块链特征,将下一个区块的QC状态作为上一个区块的Commit间接确认。

    Giskard BFT连系区块链的链式结构,引进pipeline方式对区块举行确认,使得协议变得精练而优美,能够很好地举行流程化作业,提高了协议的性能,另外也对协议的可扩展性留足了设计空间。

    结语

    现在,应用了Giskard共识协议的PlatON测试网、主网和Alaya网络都已经长时间稳固、高效运行,它的平安性(safety)和活跃性(liveness)获得了充实的验证,同时Giskard共识对解决系统过于中央化,降低网络通讯庞漂亮、新闻庞漂亮,提升共识效率以及整个区块链的生意处置性能所起到的作用毋庸置疑。

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