Istanbul BFT共识算法解读

Istanbul BFT共识算法详细文档

Istanbul BFT做为BFT类算法的一种已经有过在以太坊上的实践。虽然Istanbul目前还存在一些潜在的问题，但其算法思想和实现仍是值得学习和借鉴的。

源代码：https://github.com/jpmorganchase/quorum

术语

• Validator: 区块验证者。
• Proposer: 出块者。
• Round: 共识的轮数。一轮从出块者提出一个区块proposal开始，结束于区块提交或者轮数改变（轮数改变可能因为出错或者区块更新）。
• Proposal: 提出的一个在处理中的新的区块。
• Sequence: proposal的高度。块高和sequence相对应。
• Blocklog: 未来的信息记录在backlog里面。core.backlogs
• Round state: Round和Sequence绑定在一块儿组成view，
• Consensus proof: 提交的区块签名。每一个validator对区块验证后会对其进行签名。
• Snapshot: validator的投票状态。

共识算法描述

Istanbul BFT修改自PBFT算法，包括三个阶段：PRE-PREPARE、PREPARE以及COMMIT。在N个节点的网络中，这个算法能够最多容忍F个出错节点，其中N=3F+1。在每一轮开始前，validator会选择其中一个做为proposer，默认以轮询的方式（除此以外还有sticky的方式，搜索stickyProposer方法去看细节）。而后proposer会提出一个区块的proposal，而且广播PRE-PREPARE信息。一旦一个validator收到PRE-PREPARE信息，会把状态标记为PRE-PREPARED，而后广播PREPARE信息。这一步是为了确保全部的validator在同一个seqnence和round（代码中为view）上进行共识验证。一旦收到2F+ 1个PREPARE信息，validator进入PREPARED状态而后广播COMMIT信息。这一步是为了通知节点的peer已经接收到了提出的区块，而且即将插入区块到链中。最后，validator等待2F + 1个COMMIT信息，而后进入COMMITTED状态而后插入区块到链中。
Istanbul BFT算法中的区块是肯定的，意味着链没有分叉而且合法的区块必定是在链中。为了防止一个恶意节点生成不一样的链，在把区块插入进链以前，每个validator必须把2F + 1个COMMIT签名放进区块头的extraData字段。所以，区块时能够自我验证的（由于有签名）而且轻客户端也支持。然而动态的extraData也会形成区块的hash计算问题。由于一个区块能够被不一样的validator验证，因此会有不一样的签名，因此同一个区块会有不一样的hash。解决的方案是，计算区块hash的时候把COMMIT签名排除在外。所以咱们任然能够在保证block hash一致性的同时进行共识验证。

共识状态

• New Round: 一个proposer发送新的区块proposal。validator等待PRE-PREPARE信息。
• PRE-PREPARED: 一个validator已经收到PRE-PREPARE信息，而且广播PREPARE信息。而后等待2F + 1个PREPARE或者COMMIT信息。
• PREPARED: 一个validator已经收到2F + 1个PREPARE信息而且广播COMMIT信息。而后等待2F + 1个COMMIT信息
• COMMITTED: 一个validator已经收到2F + 1个COMMIT信息而且此时可以把提出的block插入链中。
• FINAL COMMITTED: 一个validator已经成功把区块插入了链中，而且等待下一轮。
• ROUND CHANGE: 一个validator等待关于同一个round下的2F + 1个ROUND CHANGE信息。

状态转换

• NEW ROUND -> PRE-PREPARED:
  • Proposer在txpool中收集交易。
  • Proposer提出一个区块proposal而且广播给validator。而后进入PRE-PREPARED状态。
  • 每个validator进入到PRE-PREPARED状态，一旦收到PRE-PREPARED信息而且伴随着如下状况:
    • 区块proposal是来自于有效的proposer。
    • 区块头有效。
    • 区块proposal的sequence和round和validator的状态匹配。
  • Validator广播PREPARE信息给其余validators。
• PRE-PREPARED -> PREPARED:
  • Validator收到2F + 1个有效的PREPARE信息，所以而进入PREPARED状态。有效信息须要知足如下条件：
    • sequence和round匹配。
    • 交易hash匹配。
    • 信息是来自已知的validators。
  • 一旦进入PREPARED状态，Validator广播COMMIT信息。
• PREPARED -> COMMITTED:
  • Validator收到2F + 1个·有效的COMMIT信息，以此进入COMMITTED状态。有效的信息须要知足如下条件：
    • sequence和round匹配。
    • block hash匹配
    • 信息是来自已知的validators。
• COMMITTED -> FINAL COMMITTED:
  • Validator把2F + 1个commitment签名放进区块头的extraData而且尝试插入区块进区块链。
  • 当插入区块成功，Validator进入FINAL COMMITTED状态。
• FINAL COMMITTED -> NEW ROUND:
  Validators选一个新的proposer开始新的一轮。

潜在问题

• Fail-Stop failures
• 这篇文章详细分析了IBFT
• 没有激励机制