如何用共识算法构建区块链共识网络？

作者：赵超越

Hi，相信关注区块链的你，一定对经常听到的“共识”一词充满了好奇，那作为区块链灵魂的共识算法到底是什么呢？

今日在线解决三大疑问：共识算法到底是什么？有哪些？未来发展如何？

共识算法到底是什么？

在了解这个概念之前，或许我们得先回顾一下，什么是区块链？我们上期给出的一句话总结是：“区块链是由分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等技术构成的分布式数据库技术，可为存证溯源、业务协作、数字资产、数据交换等高价值场景提供多方互信的解决方案。”

其中，共识机制就是我们今天要聊到的——共识算法。

共识算法是用于保证分布式系统一致性的机制。这里的一致性可以是交易顺序的一致性、账本一致性、节点状态的一致性等。

在上期家庭财政举的例子中，夫妻各自管理自己的账本时，新增的每一笔收入都需要经过两人的共同查验，确认无误后才会被分别记入二人的账本中，并确认双方账本是否一致。其中“共同查验”、“确认双方账本一致”的过程就是共识。

共识算法有哪些？

想要达成共识，我们就必须得解决一个问题：听谁的？

比比谁更强，谁更快：POW工作量证明、Raft算法。

以「王者荣耀」为例，五个路人刚组好战队，需要选出一名指挥官，决定如何在比赛时交流信息，保证行动的一致性，从而一起夺得战队赛的好名次。

有人提出在王者快跑一决高下，这个趣味赛要求玩家随机选择英雄，利用英雄技能，谁先抵达终点谁就胜出，担任指挥官。这意味着使用同样的英雄，谁的技能操作更熟练，位移更准确且迅速，谁的能力更强，经验更足，也自然更能胜任指挥官。

这种方法的原理就是比特币使用的工作量证明机制（POW），区块链中哪个节点的算力更强，就更有可能发现下一个区块的有效值。然而正如这个例子中，玩家需要在常规比赛之外再另比一场王者快跑的比赛，而且对于不擅长玩位移英雄的玩家来说不公平。对应到区块链中，节点在处理链上信息的同时，还要时时与其他节点比赛算力，POW算法最终变成算力的角逐，浪费大量算力，也使得POW失去了公平的初衷。

为了节省算力消耗，也有人说不如去五军对决，每人占据一个buff点，等待随机刷新的重生之石。谁先等到刷新的重生之石，谁就成为候选人，如果同时等到，则同时当选候选人，就不用增加过多的比赛。候选人具备竞选指挥官的资格，指挥官由大家投票选出，每人手中仅有宝贵的一票，而第一个收到一半以上票数的候选人即可当选指挥官。这种方法的原理就是Raft算法，像所有人都需等待重生之石随机刷新那样，Raft算法中的普通节点（玩家）需要等待随机的时间变成候选节点（候选人），没投过票的普通节点可以把票投给候选节点，收到一半以上票数的候选节点即可成为领导节点（指挥官）。

拒绝作恶：RBFT算法、BFT类拜占庭容错算法

但即使通过上面两种方法选出了指挥官，也并不意味着战队就能统一行动，夺得最终的胜利。可能有队员其实是个“演员”，实际上却并不听从指挥，反而假传指挥官命令给其他队友，带着他们单独行动。这种情况下，保证战队比赛时能够交流真实的有效信息，就尤为重要。在区块链中，这被称作存在作恶节点（拜占庭节点）的情况，此时系统应该如何达成共识呢？

既然如此，干脆取消竞选指挥官的环节，每个人都有担任指挥官的机会，在实战中检验大家的指挥能力。在每局比赛中，系统会不断发出提示，比如“摧毁敌方防御塔”。指挥官筛选出这些消息中的有用消息，再向其他队友转达进攻指令。队友们在收到消息后自行判断这个命令是否合理，如果觉得合理，就回复“收到”，一旦收到超过2/3的其他队友回复的“收到”，就明白大多数队友都会配合，便放心发起进攻。在一局比赛结束后，如果超过2/3的队友认为这局的指挥官不行，就更换指挥官的人选。

这便是趣链高鲁棒性拜占庭容错算法（RBFT）的原理，客户端（系统）给主节点（指挥官）发送请求，主节点（指挥官）收到请求后发送消息给所有从节点（队员），从节点给其他所有节点发送消息确认收到，收到超过2/3确认消息的从节点执行命令，并同时通知其他所有节点，最终将执行结果反馈给客户端，如果主节点出现故障则进行视图切换，更换主节点。

除此之外，RBFT算法在基于普通的拜占庭容错算法的基础上做了诸多改进，比如利用Recovery机制提升了系统的可靠性、拓展性，当队员（从节点）因网络卡顿等原因重新游戏链接（从拜占庭状态中恢复）时，队员能够自动回顾重连过程中错过的战局信息与小队指令（区块信息），让队员能够跟上游戏进度。

RBFT算法-王者荣耀版示意图

RBFT算法示意图 更优化的传递共识：NoxBFT算法、HotStuff算法

但又有人提出，当小队的人数（区块链内节点）变多时，BFT类的算法的要求的所有队友互相交流就会有些麻烦，所有人最好仅与指挥官交流。

为了降低交流的成本，且确保指挥官的指令得到了大部分人的认可，每个人都会在回复指挥官的消息中附上自己的头像（可以理解为指纹、签名，其他人不可盗用） ，而指挥官在给所有人发送最终指令时，会附上这些头像的集合，来证明指令经过了大家的认可，否则队员可以无视指令。除此之外，还把更换指挥官的步骤直接挪到比赛中，以免指挥官在比赛中临时断线或者状态不佳总发送错误指令。

这就是HotStuff算法的原理，它将 BFT 的网状通信网络拓扑变成了星形通信网络拓扑，节点（队员）不再通过 p2p 网络将消息广播给其它节点（队员），而是将消息发送给主节点（指挥官），由主节点处理后发送给其它节点。得益于星型通信网络拓扑，系统的通信复杂度得到了大大降低。它通过将视图切换流程（更换指挥官）和正常流程（比赛）进行合并，也降低了视图切换的复杂度。

Basic HotStuff 的流程

在借鉴HotStuff算法的理念后，自研NoxBFT算法，在大规模组网环境下，能够有效降低区块链网络传输的复杂度，提升系统的共识效率与可扩展性。

所以，我们支持哪些共识算法？

我们的共识模块采用可拔插的模块化设计，用户可针对不同的业务场景需求按需选择不同的共识算法。目前支持RBFT、NoxBFT、Raft共识算法，这三类算法分别有其适合的场景。

RBFT：具有高性能高鲁棒性，设计了动态数据自动恢复机制与动态共识节点增删机制，大大增强了共识模块的可用性，提升了系统的整体交易吞吐能力和系统稳定性，可达到万级TPS以及毫米级延迟。适用于一般数量级的节点组成的网络环境。

NoxBFT：借鉴Hotstuff算法后自研，通过星型网络拓扑结构将全网网络复杂度由O(n2)降低至O(n)，减少了一个量级，并进一步优化算法的活性、可靠性以及数字签名性能，有效解决大规模节点组网场景下共识效率低下、可扩展性不强的问题，现已支持以千为数量级的大规模节点扩展。

Raft：区块链平台支持Raft共识算法保证账本一致性，在联盟各方足够信任的前提下，实现高效共识。该算法仅限于强信任联盟链场景中使用。

共识算法未来发展方向

区块链共识算法从一开始的算力密集型算法POW、POS开始，后来逐渐演变出减少耗能的选举型共识方式BFT等，整体性能上有4-5个数量级的提升。但随着节点数量增多到几百个甚至更大的共识节点规模，需要交换的信息增多，系统负载及网络通信量增大，性能会有所下降，可扩展性也较弱。如何突破共识性能、带宽瓶颈，实现大规模节点高效共识、增强可扩展性是当前共识研究的重要发展方向。

目前，共识算法的研究尝试结合更多的技术进行优化，比如引入VRF（可验证随机函数）保证主节点选取随机性和公平性，应用DAG（有向无环图）数据结构提升系统吞吐量、结合密码学算法优化共识效率等等，整体趋势上是向混合型共识算法演变。