工程師周亮 發表於 2018-11-15 11:28:15
在廣州貝塔咖啡舉辦的迅雷鏈技術沙龍上，迅雷鏈底層工程師張驍就迅雷鏈共識算法的內在細節，向到場的開發者和區塊鏈愛好者做了詳細解讀。DPoA+PBFT的算法保證了分布式系統中的強一致性和高效率共識，吸引了在場來賓的關注。
什麼是共識算法？
張驍認為，區塊鏈建立在分布式系統上，有若干個節點，每個節點都會維護自己的數據，這些數據需要保證一致性。如果不同的節點提供的數據不同，就不是一個能夠正常對外工作的分布式系統。所以在區塊鏈中，需要把這些數據通過複製和同步，來保持一致性，這個過程就叫做共識。
共識過程中所使用的算法就叫共識算法。對於區塊鏈來說，共識算法的作用就是制定達成共識的標準，即當數據有所不同時，以誰的為準。張驍深入淺出，用通俗易懂的方式，解釋了這個概念。
當前主流共識算法的分類
張驍表示，目前共識算法可分為概率一致性共識和絕對一致性共識。
概率一致性共識算法是指在某一個時間點上，允許數據有一些不一致情況的算法。比如比特幣採用的算法，就是一種典型的概率一致性算法。比特幣達成共識的過程中，如果在同一個時間點有兩個不同的節點，都找到了滿足這個條件的計算公式，就相當於都可以產生一個區塊，然後就產生了分叉。當然，這種分叉是會被下一輪的挖礦和共識過程所修正的，最終還是會達成一致，但在其誕生後的一小段時間裡，是無法達成一致的。
絕對一致性共識算法是指數據始終保持一致性的算法，它通過犧牲一定的可用性，保證了數據的一致，其中又可以細分CFT和BFT兩個類型。
CFT算法的特點是確定一個固定的節點數量，只要有達到這個數量的節點確認，那麼共識就算達成。比如總共有11個節點，確定只要4個節點投票確認某次交易，那麼這次交易就算完成。這樣做的結果是交易確認速度很快，同時結果永遠都是確定的，而且不會出現分叉。
BFT算法是另外一種常見的絕對一致性算法，它達成共識的過程分為三個階段，分別是預準備、準備還有提交，其共識過程是：
1.預準備階段：某個節點為從客戶端收到的請求分配提案編號，然後發出預準備消息，廣播給其它節點；
2.準備階段：其它節點收到預準備消息後，檢查消息合法性，如果檢查通過則向其他節點發送準備消息，並帶上自己的ID信息，同時接收來自其他節點的準備信息。收到準備消息的節點對消息同樣進行合法性檢查驗證，全網中至少2/3的節點驗證過的消息，才會真正進入準備狀態;
3.提交階段：向全網所有節點廣播進入準備狀態的消息，然後由所有節點進行投票，投票數達2/3後該消息通過。
各種共識算法的優缺點
張驍指出，以比特幣為代表的概率一致性算法的缺點是，對確認時間的要求比較長。比特幣出塊速度為10分鐘，同時還要經過6個區塊的確認，才能得到最終的確定。即要經過60分鐘之後，某個交易才能得到確認，而且還不一定能夠保證支付成功。這在實際應用過程中是無法接受的，誰也不能付款後還要等1個小時，才能確定到底有沒有完成付款、拿走東西。
因此，概率一致性算法不適合實際商用，無法滿足實際商業場景中對交易確認速度、並發處理的要求。
CFT算法的問題是不能防止節點間的撮合，比如有4個相熟的節點勾結到一起，這樣幾乎就可以確認所有交易。同時也不能防止節點作惡，比如一個節點向其中4個節點發出一個確認請求，再向其它的節點發出另一個完全相反的確認請求，這樣就會同一時間形成兩個完全不同的交易結果，由此導致系統出現偏差。
因此，CFT算法基本只能在能夠確保節點誠實度的情況下使用，比如私有鏈。
BFT算法彌補了CFT的漏洞，杜絕了節點撮合交易和作惡的可能性，每一次交易都經過兩輪投票，多次驗證，因此不會出現惡意交易的情況出現。
但它有兩個缺點，一是容錯率變低，因為每輪投票都需要至少2/3的節點通過才行，所以BFT算法下，節點最多只能容忍不到1/3的節點出現故障，如果超過，整個區塊鏈都不能運行。
其次是由於要進行3個階段，每個階段都需要對全網進行廣播，所以通信量非常大，是節點總數量的次方級。因此在節點數量比較多的情況下，BFT算法會顯得效率很低，簡單說，就是這種算法不太適用於多節點的區塊鏈。
迅雷鏈採用什麼共識算法？
基於以上共識算法都無法滿足要求，為了更好的適應各種大型商業場景，迅雷鏈提出了獨有的同構多鏈架構結合DPoA+PBFT的共識算法。
迅雷鏈基於玩客雲共享計算提供的150萬個節點而產生，迅雷鏈先是從這150萬個節點中，挑選那些在線穩定、傳輸通暢、性能較好的優質節點，集中成一個備選池，再用DPoA算法，從這備選池裡挑選出一定數量的節點，組成整個迅雷鏈的記帳網絡。這些節點會定期輪換、重選，以避免記帳節點暴露，被外界攻擊。
而在記帳過程中，採用PBFT算法。PBFT算法的優點是確認速度快、並發處理性能高，而且還永不分叉，有很強的一致性，非常適合於實際商用。
但PBFT也有缺點，一是容錯率低，需要保證記帳節點擁有較高的在線率，二是通信量大，不適合於太多節點的區塊鏈。迅雷鏈自身的特點，恰好彌補了這兩個缺陷。
首先，迅雷鏈所有記帳節點都是優中選優挑選出來，而且還有大量備用，因此一來節點故障率本身就不高，二來一旦有節點出現故障，可以從備選池中立即選擇新的節點來補上。150萬+的總節點數，保證了隨時都有足夠的備選節點使用。
同時由於是採用DPoA算法來挑選記帳節點，所以在同一時間記帳的節點數量不會很多，完美規避了PBFT算法通信量大的缺點。
基於這種雙重算法的設計，迅雷鏈才能在保證安全性、去中心化程度的同時，又能實現百萬級TPS、秒級確認速度等超高性能，並能保證不分叉、不回滾，是目前最適合實際商用需求的區塊鏈。
張驍最後說，沒有任何一種共識算法是最好的，我們不能說到底是POW好，還是DPoA+PBFT好。因為算法好不好，要根據實際承載的區塊鏈來判定，通過區塊鏈面向的業務場景和目標去考量。迅雷鏈作為區塊鏈3.0時代的引領者，需要能夠接納更多的商戶上鏈，能夠達到百萬級的TPS，能夠讓交易在每秒級別的時間當中確認。在這樣的需求下，再結合到有150萬以上節點的玩客雲硬體支持，所以最終選擇了DPoA+PBFT的算法，成就了迅雷鏈的最強心臟。
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