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解密區塊鏈最強心臟 迅雷鏈共識算法詳解

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11月10日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註。
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什麽是共識算法?

張驍認為,區塊鏈建立在分布式系統上,有若幹個節點,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復制和同步,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。比如比特幣采用的算法,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裏,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,那麽共識就算達成。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,那麽這次交易就算完成。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

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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。

迅雷鏈采用什麽共識算法?

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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,從這備選池裏挑選出一定數量的節點,組成整個迅雷鏈的記賬網絡。這些節點會定期輪換、重選,以避免記賬節點暴露,被外界***。

而在記賬過程中,采用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,需要保證記賬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,迅雷鏈所有記賬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。

同時由於是采用DPoA算法來挑選記賬節點,所以在同一時間記賬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,在結合到有150萬以上節點的玩客雲硬件支持,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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