解密区块链最强心脏 迅雷链共识算法详解

Posted 2021-01-22

11月10日在广州贝塔咖啡举办的迅雷链技术沙龙上，迅雷链底层工程师张骁就迅雷链共识算法的内在细节，向到场的开发者和区块链爱好者做了详细解读。DPoA+PBFT的算法保证了分布式系统中的强一致性和高效率共识，吸引了在场来宾的关注。

什么是共识算法？

张骁认为，区块链建立在分布式系统上，有若干个节点，每个节点都会维护自己的数据，这些数据需要保证一致性。如果不同的节点提供的数据不同，就不是一个能够正常对外工作的分布式系统。所以在区块链中，需要把这些数据通过复制和同步，来保持一致性，这个过程就叫做共识。

共识过程中所使用的算法就叫共识算法。对于区块链来说，共识算法的作用就是制定达成共识的标准，即当数据有所不同时，以谁的为准。张骁深入浅出，用通俗易懂的方式，解释了这个概念。

当前主流共识算法的分类

张骁表示，目前共识算法可分为分为概率一致性共识和绝对一致性共识。

概率一致性共识算法是指在某一个时间点上，允许数据有一些不一致情况的算法。比如比特币采用的算法，就是一种典型的概率一致性算法。比特币达成共识的过程中，如果在同一个时间点有两个不同的节点，都找到了满足这个条件的计算公式，就相当于都可以产生一个区块，然后就产生了分叉。当然，这种分叉是会被下一轮的挖矿和共识过程所修正的，最终还是会达成一致，但在其诞生后的一小段时间里，是无法达成一致的。

绝对一致性共识算法是指数据始终保持一致性的算法，它通过牺牲一定的可用性，保证了数据的一致，其中又可以细分CFT和BFT两个类型。

CFT算法的特点是确定一个固定的节点数量，只要有达到这个数量的节点确认，那么共识就算达成。比如总共有11个节点，确定只要4个节点投票确认某次交易，那么这次交易就算完成。这样做的结果是交易确认速度很快，同时结果永远都是确定的，而且不会出现分叉。

BFT算法是另外一种常见的绝对一致性算法，它达成共识的过程分为三个阶段，分别是预准备、准备还有提交，其共识过程是：

1.预准备阶段：某个节点为从客户端收到的请求分配提案编号，然后发出预准备消息，广播给其它节点；

2.准备阶段：其它节点收到预准备消息后，检查消息合法性，如果检查通过则向其他节点发送准备消息，并带上自己的ID信息，同时接收来自其他节点的准备信息。收到准备消息的节点对消息同样进行合法性检查验证，全网中至少2/3的节点验证过的消息，才会真正进入准备状态;

3.提交阶段：向全网所有节点广播进入准备状态的消息，然后由所有节点进行投票，投票数达2/3后该消息通过。

各种共识算法的优缺点

张骁指出，以比特币为代表的概率一致性算法的缺点是，对确认时间的要求比较长。比特币出块速度为10分钟，同时还要经过6个区块的确认，才能得到最终的确定。即要经过60分钟之后，某个交易才能得到确认，而且还不一定能够保证支付成功。这在实际应用过程中是无法接受的，谁也不能付款后还要等1个小时，才能确定到底有没有完成付款、拿走东西。

因此，概率一致性算法不适合实际商用，无法满足实际商业场景中对交易确认速度、并发处理的要求。

CFT算法的问题是不能防止节点间的撮合，比如有4个相熟的节点勾结到一起，这样几乎就可以确认所有交易。同时也不能防止节点作恶，比如一个节点向其中4个节点发出一个确认请求，再向其它的节点发出另一个完全相反的确认请求，这样就会同一时间形成两个完全不同的交易结果，由此导致系统出现偏差。

因此，CFT算法基本只能在能够确保节点诚实度的情况下使用，比如私有链。

BFT算法弥补了CFT的漏洞，杜绝了节点撮合交易和作恶的可能性，每一次交易都经过两轮投票，多次验证，因此不会出现恶意交易的情况出现。

但它有两个缺点，一是容错率变低，因为每轮投票都需要至少2/3的节点通过才行，所以BFT算法下，节点最多只能容忍不到1/3的节点出现故障，如果超过，整个区块链都不能运行。

其次是由于要进行3个阶段，每个阶段都需要对全网进行广播，所以通信量非常大，是节点总数量的次方级。因此在节点数量比较多的情况下，BFT算法会显得效率很低，简单说，就是这种算法不太适用于多节点的区块链。

迅雷链采用什么共识算法？

基于以上共识算法都无法满足要求，为了更好的适应各种大型商业场景，迅雷链提出了独有的同构多链架构结合DPoA+PBFT的共识算法。

迅雷链基于玩客云共享计算提供的150万个节点而产生，迅雷链先是从这150万个节点中，挑选那些在线稳定、传输通畅、性能较好的优质节点，集中成一个备选池，再用DPoA算法，从这备选池里挑选出一定数量的节点，组成整个迅雷链的记账网络。这些节点会定期轮换、重选，以避免记账节点暴露，被外界***。

而在记账过程中，采用PBFT算法。PBFT算法的优点是确认速度快、并发处理性能高，而且还永不分叉，有很强的一致性，非常适合于实际商用。

但PBFT也有缺点，一是容错率低，需要保证记账节点拥有较高的在线率，二是通信量大，不适合于太多节点的区块链。迅雷链自身的特点，恰好弥补了这两个缺陷。

首先，迅雷链所有记账节点都是优中选优挑选出来，而且还有大量备用，因此一来节点故障率本身就不高，二来一旦有节点出现故障，可以从备选池中立即选择新的节点来补上。150万+的总节点数，保证了随时都有足够的备选节点使用。

同时由于是采用DPoA算法来挑选记账节点，所以在同一时间记账的节点数量不会很多，完美规避了PBFT算法通信量大的缺点。

基于这种双重算法的设计，迅雷链才能在保证安全性、去中心化程度的同时，又能实现百万级TPS、秒级确认速度等超高性能，并能保证不分叉、不回滚，是目前最适合实际商用需求的区块链。

张骁最后说，没有任何一种共识算法是最好的，我们不能说到底是POW好，还是DPoA+PBFT好。因为算法好不好，要根据实际承载的区块链来判定，通过区块链面向的业务场景和目标去考量。迅雷链作为区块链3.0时代的引领者，需要能够接纳更多的商户上链，能够达到百万级的TPS，能够让交易在每秒级别的时间当中确认。在这样的需求下，在结合到有150万以上节点的玩客云硬件支持，所以最终选择了DPoA+PBFT的算法，成就了迅雷链的最强心脏。