走進Cosmos之Tendermint_POS:Endless Battlefield

導讀

Cosmos是由Tendermint團隊構建的開源社區項目，它的共識算法是基于POS和BFT的共識協議。

Cosmos通過SDK的形式將共識算法和網絡模塊封裝起來，形成一套開箱即用的區塊鏈開發腳手架，本期將為大家帶來Cosmos系列文章中Tendermint共識算法的介紹。

Tendermint核心模塊

首先我們回顧下，Cosmos中的TendermintCore核心模塊主要包含共識算法和網絡模塊，由于網絡模塊采用的是我們熟悉的gossip協議，這里就不再贅述。我們編寫的應用層的模塊通過ABCI與Tendermint核心模塊進行交互，在交互的過程中，由Tendermint完成選舉Proposer，BFT三階段共識以及區塊執行的邏輯。

1）ABCIApplication

其中ABCI接口可以分為三類：信息查詢、交易校驗以及共識相關處理，而TendermintCore作為ABCIClient在啟動時會與ABCIServer建立三個連接，分別用于這三類接口消息的處理。

普華永道：AI和區塊鏈融合的“機器經濟”規模將在2030年達到15萬億美元:金色財經報道，會計師事務所巨頭普華永道在最新報告中指出，人工智能和區塊鏈技術融合的“機器經濟”規模將在2030年達到15萬億美元。根據Next Big Thing AG研究報告，機器經濟的定義是一個由智能、互聯且經濟上獨立的設備和機器組成的網絡，這些設備和機器充當自主市場參與者，執行經濟交易和其他活動，幾乎不需要人工干預。此外，工業物聯網聯盟（IIC ）指出，工業元宇宙是一種新興趨勢，盡管全球經濟放緩，但元宇宙在 2022 年仍顯示出顯著增長，世界經濟論壇預測 metaverse 市場將在 2024 年增長到 8000 億美元，麥肯錫則預測，虛擬宇宙到 2030 年有可能產生高達 5 萬億美元的價值。（cryptoslate）[2023/1/29 11:34:58]

在TendermintCore與Application交互的所有消息類型中，有3種主要的消息類型：

·CheckTx消息用于驗證交易。TendermintCore中的mempool通過此消息校驗交易的合法性，通過之后才會將交易廣播給其它節點。

·DeliverTx消息是應用的主要工作流程，通過此消息真正執行交易，包括驗證交易、更新應用程序的狀態。

印度將于2022至2023財年開展CBDC批發業務試點:金色財經消息，近日，印度儲備銀行（RBI）計劃在2022-2023財年開始央行數字貨幣（CBDC）試點，初期將僅用于批發類業務，且可能不允許參與者以匿名方式參與。在完成批發業務的業績評估后，RBI才會決定是否將CBDC推廣到零售領域。與其他央行機構一樣，RBI一直在考慮其主權支持的數字貨幣應該具有的隱私級別。

在4月份的一次采訪中，印度央行副行長T Rabi Sankar表示，數字盧比很可能允許“低價值交易”保持匿名。他補充說，印度央行還沒有決定如何執行匿名——是通過CBDC的機構設計還是通過額外的監管。然而，他的聲明沒有界定可被視為低價值交易的門檻。（Business Standard）[2022/8/26 12:49:26]

·Commit消息通知應用程序計算當前的世界狀態，并存在下一區塊頭中。

?Tendermint共識引擎，包含區塊鏈需要大部分功能實現，主要有：

·?共識算法：BFT+POS算法；

·P2P：采用Gossip算法；

·RPC：區塊鏈對外提供的API接口；

·?其它：交易緩存池、消息隊列等。

Cardano創始人：加密熊市期間更易出現行業重大進展:金色財經消息，Cardano創始人、Input Output首席執行官Charles Hoskinson近期接受采訪時駁斥了對加密冬天的擔憂，并認為熊市“實際上相當舒適”。

Hoskinson稱，牛市令人“沮喪”，因為沒有人愿意合作：“到處都是盜用、不切實際的工資和不切實際的期望。”

Hoskinson目前已經經歷了七次熊市。他認為，智能合約等重大進步通常出現在最艱難的時期。（U.Today）[2022/6/10 4:16:54]

2）POS權益證明協議

接下來介紹Tendermint的POS算法，通過該POS算法可以在驗證人集合中選取出下一輪出塊的提議人。

上圖中，假設有A、B、C三個驗證人，分別抵押了1、2、3個代幣

1.第一輪由于C的抵押資產最多，所以C當選第一輪的提議人；

2.第二輪由于C在上一輪當選過提議人，所以他的vote_power變為pre_votingPower-(stake_a+stake_b)?也就是3-(1+2)==0，而B的vote_power等于pre_votingPower+stake也就是2+2==4，同理A的vote_power等于2，那么這一輪中投票權最大的是B，所以B當選提議人；

Anchor Protocol僅支持無利息質押USTC，其余活動將凍結:6月8日消息，Anchor 宣布 Prop 29 已投票通過，Anchor Earn 和借貸功能將被凍結以保護 Anchor 免受攻擊。除了提取資金和存入 USTC 以獲得 aUST 之外，Anchor 上的所有操作現在都將被凍結。存款將永久保持開放（無利息），以使 Mirror 協議借款人能夠使用 aUST 作為抵押品，以便在必要時獲得 aUST 以防止追加保證金。[2022/6/8 4:09:54]

3.第三輪A的vote_power為3，B的vote_power為2-(2+0)==0，C的vote_power為?0+3==3，由于A排名在C的前面，所以A當選提議人；

4.同理第四輪A的vote_power為-1，B的為2，C的為6，所以C當選提議人；

Tendermint的Pos機制有如下優點和缺點：

優點：Proposer的選擇方式是與stake相關的，所以應用層可以實現自己的共識,在應用層將計算好Validator的權重傳遞給Tendermint，Tendermint就會按照應用層需要的方式選擇Proposer。

缺點：Round-Robin策略太簡單了，容易被壞人預測到下一個Proposer是誰，于是可以提前布局對rProposer發起DDoS攻擊或別的攻擊。這里Tendermint的解決方法就是驗證人節點對外不暴露節點的IP地址。

a16z Crypto負責人提醒欺詐風險：有人在Instagram冒充我:金色財經報道，a16z Crypto負責人 Chris Dixon 在其官方社交媒體賬戶上發布欺詐風險提示，他表示自己不使用任何 Instagram 消息，但現在發現有人冒充他實施欺詐，因此提醒用戶注意風險。Chris Dixon 創立并領導 a16z Crypto，該機構剛剛完成了第四只基金 Crypto Fund 4募資，規模高達45億美元。[2022/6/3 3:59:57]

3）BFT拜占庭容錯協議

Tendermint是一個易于理解的BFT共識協議，協議遵循一個簡單的狀態機原理：

協議中有兩個角色：

驗證人：協議中的角色或者節點，不同的驗證者在投票過程中具備不同的權力。

提議人：由驗證人產生。?驗證人對交易的區塊提議并對提議的區塊投票。區塊被提交到鏈上，且每個區塊就是一個區塊高度。但區塊也有可能提交失敗，這種情況下協議將選擇下一個驗證人在相同高度上提議一個新塊，重新開始投票。

從圖中可以看到，在propose開始階段，被選中的proposer會給全網絡廣播一個proposal。如果proposer鎖定在上一輪中的block上，那么proposer在本輪中發起的proposal會是鎖定的block，并且在proposal中加上proof-of-lock字段。

在Prevote開始階段，每個Validator會判斷自己是否鎖定在上一輪的proposal區塊上，如果鎖定在之前的proposal區塊中，那么在本輪中繼續為之前鎖定的proposal區塊簽名并廣播prevote投票。否則為當前輪中接收到的proposal區塊簽名并廣播prevote投票。如果由于某些原因當前Validator并沒有收到任何proposal區塊，那么簽名并廣播一個空的prevote投票。

在Precommit開始階段，每個Validator會判斷，如果收集到了超過2/3prevote投票，那么為這個區塊簽名并廣播precommit投票，并且當前Validator會鎖定在這個區塊上，同時釋放之前鎖定的區塊，一個Validator一次只能鎖定在一個區塊上。

如果一個Validator收集到超過2/3空區塊（nil)的prevote投票，那么釋放之前鎖定的區塊。處于鎖定狀態的Validator會為鎖定的區塊收集prevote投票，并把這些投票打成包放入proof-of-lock中，proof-of-lock會在之后的propose階段用到。如果一個Validator沒有收集到超過2/3的prevote投票，那么它不會鎖定在任何區塊上。

在precommit階段后期，如果Validator收集到超過2/3的precommit投票，那么Validator進入到commit階段。否則進入下一輪的propose階段。

commit階段分為兩個并行的步驟：

·Validator收到了被全網commit的區塊，Validator會為這個區塊廣播一個commit投票。

·Validator需要為被全網絡precommit的區塊，收集到超過2/3commit投票。

一旦兩個條件全部滿足了，節點會將commitTime設置到當前時間上，并且會進入NewHeight階段。在整個共識過程的任何階段，一旦節點收到超過2/3commit投票，那么它會立刻進入到commit階段。

上訴過程簡單來說，為了成功提交一個區塊，必須經過兩階段的投票，稱為pre-vote和pre-commit。當超過2/3的驗證人在同一輪提議中對同一個塊進行了pre-commit投票，那么這個區塊才會被提交。

由于離線或者網絡延遲等原因，可能造成提議人提議區塊失敗。這種情況在Tendermint中也是允許的，因為驗證人會在進入下一輪提議之前等待一定時間，用于接收提議人提議的區塊。

假設少于三分之一的驗證人是拜占庭節點，Tendermint能夠保證驗證人永遠不會在同一高度重復提交區塊而造成沖突。為了做到這一點，Tendermint引入了鎖定機制，一旦驗證人預投票了一個區塊，那么該驗證人就會被鎖定在這個區塊。然后該驗證人必須在預提交的區塊進行預投票。當前一輪預提議和預投票沒成功提交區塊時，該驗證人就會被解鎖，然后進行對新塊的下一輪預提交。

4）BFT?VSPBFT

通過上文我們可以看到，Tendermint共識算法和PBFT時非常相似的，可以說是PBFT的變種，那我們來比較一下：

相同點：

·?同屬BFT體系，抗1/3拜占庭節點攻擊。

·?三階段提交，第一階段廣播交易，后兩階段廣播簽名。

·?兩者都需要達到Quorum法定人數才能提交塊。

不同點：

·Tendermint與PBFT的區別主要是在超過1/3節點為拜占庭節點的情況下，當拜占庭節點數量在驗證者數量的1/3和2/3之間時，PBFT算法無法提供保證，使得攻擊者可以將任意結果返回給客戶端。而Tendermint共識模型認為必須超過2/3數量的precommit確認才能提交塊。

·?拜占庭節點概念不同，PBFT指的是節點數，而Tendermint代表的是節點的投票權力。

·PBFT需要預設一組固定的驗證人，而Tendermint是通過要求超過Quorum法定人數的驗證人員批準會員變更，從而支持驗證人的動態變化。

總結

總體來說，Cosmos中Tendermint核心模塊中POS和BFT共識算法的實現較為簡單，不像Polkadot的混合共識那么復雜，但是也是這個原因，可以成為區塊鏈快速開發的腳手架，幫助越來越多的人了解區塊鏈，熱愛上區塊鏈。

作者簡介

江哲

來自數據網格實驗室BitXHub團隊主要負責區塊鏈賬本互操作技術相關研究工作

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