导读
Cosmos是由Tendermint团队构建的开源社区项目，它的共识算法是基于POS和BFT的共识协议。
Cosmos通过SDK的形式将共识算法和网络模块封装起来，形成一套开箱即用的区块链开发脚手架，本期将为大家带来Cosmos系列文章中Tendermint共识算法的介绍。
Tendermint核心模块
首先我们回顾下，Cosmos中的TendermintCore核心模块主要包含共识算法和网络模块，由于网络模块采用的是我们熟悉的gossip协议，这里就不再赘述。我们编写的应用层的模块通过ABCI与Tendermint核心模块进行交互，在交互的过程中，由Tendermint完成选举Proposer，BFT三阶段共识以及区块执行的逻辑。
1）ABCIApplication
其中ABCI接口可以分为三类：信息查询、交易校验以及共识相关处理，而TendermintCore作为ABCIClient在启动时会与ABCIServer建立三个连接，分别用于这三类接口消息的处理。
在TendermintCore与Application交互的所有消息类型中，有3种主要的消息类型：
·CheckTx消息用于验证交易。TendermintCore中的mempool通过此消息校验交易的合法性，通过之后才会将交易广播给其它节点。
·DeliverTx消息是应用的主要工作流程，通过此消息真正执行交易，包括验证交易、更新应用程序的状态。
·Commit消息通知应用程序计算当前的世界状态，并存在下一区块头中。
?Tendermint共识引擎，包含区块链需要大部分功能实现，主要有：
·?共识算法：BFT+POS算法；
·P2P：采用Gossip算法；
·RPC：区块链对外提供的API接口；
·?其它：交易缓存池、消息队列等。
2）POS权益证明协议
接下来介绍Tendermint的POS算法，通过该POS算法可以在验证人集合中选取出下一轮出块的提议人。
上图中，假设有A、B、C三个验证人，分别抵押了1、2、3个代币
1.第一轮由于C的抵押资产最多，所以C当选第一轮的提议人；
2.第二轮由于C在上一轮当选过提议人，所以他的vote_power变为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，那么这一轮中投票权最大的是B，所以B当选提议人；
3.第三轮A的vote_power为3，B的vote_power为2-(2+0)==0，C的vote_power为?0+3==3，由于A排名在C的前面，所以A当选提议人；
4.同理第四轮A的vote_power为-1，B的为2，C的为6，所以C当选提议人；
Tendermint的Pos机制有如下优点和缺点：
优点：Proposer的选择方式是与stake相关的，所以应用层可以实现自己的共识,在应用层将计算好Validator的权重传递给Tendermint，Tendermint就会按照应用层需要的方式选择Proposer。
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缺点：Round-Robin策略太简单了，容易被坏人预测到下一个Proposer是谁，于是可以提前布局对rProposer发起DDoS攻击或别的攻击。这里Tendermint的解决方法就是验证人节点对外不暴露节点的IP地址。
3）BFT拜占庭容错协议
Tendermint是一个易于理解的BFT共识协议，协议遵循一个简单的状态机原理：
协议中有两个角色：
验证人：协议中的角色或者节点，不同的验证者在投票过程中具备不同的权力。
提议人：由验证人产生。?验证人对交易的区块提议并对提议的区块投票。区块被提交到链上，且每个区块就是一个区块高度。但区块也有可能提交失败，这种情况下协议将选择下一个验证人在相同高度上提议一个新块，重新开始投票。
从图中可以看到，在propose开始阶段，被选中的proposer会给全网络广播一个proposal。如果proposer锁定在上一轮中的block上，那么proposer在本轮中发起的proposal会是锁定的block，并且在proposal中加上proof-of-lock字段。
在Prevote开始阶段，每个Validator会判断自己是否锁定在上一轮的proposal区块上，如果锁定在之前的proposal区块中，那么在本轮中继续为之前锁定的proposal区块签名并广播prevote投票。否则为当前轮中接收到的proposal区块签名并广播prevote投票。如果由于某些原因当前Validator并没有收到任何proposal区块，那么签名并广播一个空的prevote投票。
在Precommit开始阶段，每个Validator会判断，如果收集到了超过2/3prevote投票，那么为这个区块签名并广播precommit投票，并且当前Validator会锁定在这个区块上，同时释放之前锁定的区块，一个Validator一次只能锁定在一个区块上。
如果一个Validator收集到超过2/3空区块（nil)的prevote投票，那么释放之前锁定的区块。处于锁定状态的Validator会为锁定的区块收集prevote投票，并把这些投票打成包放入proof-of-lock中，proof-of-lock会在之后的propose阶段用到。如果一个Validator没有收集到超过2/3的prevote投票，那么它不会锁定在任何区块上。
在precommit阶段后期，如果Validator收集到超过2/3的precommit投票，那么Validator进入到commit阶段。否则进入下一轮的propose阶段。
commit阶段分为两个并行的步骤：
·Validator收到了被全网commit的区块，Validator会为这个区块广播一个commit投票。
·Validator需要为被全网络precommit的区块，收集到超过2/3commit投票。
一旦两个条件全部满足了，节点会将commitTime设置到当前时间上，并且会进入NewHeight阶段。在整个共识过程的任何阶段，一旦节点收到超过2/3commit投票，那么它会立刻进入到commit阶段。
上诉过程简单来说，为了成功提交一个区块，必须经过两阶段的投票，称为pre-vote和pre-commit。当超过2/3的验证人在同一轮提议中对同一个块进行了pre-commit投票，那么这个区块才会被提交。
由于离线或者网络延迟等原因，可能造成提议人提议区块失败。这种情况在Tendermint中也是允许的，因为验证人会在进入下一轮提议之前等待一定时间，用于接收提议人提议的区块。
假设少于三分之一的验证人是拜占庭节点，Tendermint能够保证验证人永远不会在同一高度重复提交区块而造成冲突。为了做到这一点，Tendermint引入了锁定机制，一旦验证人预投票了一个区块，那么该验证人就会被锁定在这个区块。然后该验证人必须在预提交的区块进行预投票。当前一轮预提议和预投票没成功提交区块时，该验证人就会被解锁，然后进行对新块的下一轮预提交。
4）BFT?VSPBFT
通过上文我们可以看到，Tendermint共识算法和PBFT时非常相似的，可以说是PBFT的变种，那我们来比较一下：
相同点：
·?同属BFT体系，抗1/3拜占庭节点攻击。
·?三阶段提交，第一阶段广播交易，后两阶段广播签名。
·?两者都需要达到Quorum法定人数才能提交块。
不同点：
·Tendermint与PBFT的区别主要是在超过1/3节点为拜占庭节点的情况下，当拜占庭节点数量在验证者数量的1/3和2/3之间时，PBFT算法无法提供保证，使得攻击者可以将任意结果返回给客户端。而Tendermint共识模型认为必须超过2/3数量的precommit确认才能提交块。
·?拜占庭节点概念不同，PBFT指的是节点数，而Tendermint代表的是节点的投票权力。
·PBFT需要预设一组固定的验证人，而Tendermint是通过要求超过Quorum法定人数的验证人员批准会员变更，从而支持验证人的动态变化。
总结
总体来说，Cosmos中Tendermint核心模块中POS和BFT共识算法的实现较为简单，不像Polkadot的混合共识那么复杂，但是也是这个原因，可以成为区块链快速开发的脚手架，帮助越来越多的人了解区块链，热爱上区块链。
作者简介
江哲
来自数据网格实验室BitXHub团队主要负责区块链账本互操作技术相关研究工作
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