Istanbul BFT共識算法解讀

Istanbul BFT共識算法詳細文檔

Istanbul BFT作為BFT類算法的一種已經有過在以太坊上的實踐。雖然Istanbul目前還存在一些潛在的問題，但其算法思想和實現還是值得學習和借鑒的。

源代碼：https://github.com/jpmorganchase/quorum/tree/master/consensus/istanbul

術語

• Validator: 區塊驗證者。
• Proposer: 出塊者。
• Round: 共識的輪數。一輪從出塊者提出一個區塊proposal開始，結束於區塊提交或者輪數改變（輪數改變可能由於出錯或者區塊更新）。
• Proposal: 提出的一個在處理中的新的區塊。
• Sequence: proposal的高度。塊高和sequence相對應。
• Blocklog: 將來的信息記錄在backlog里面。core.backlogs
• Round state: Round和Sequence綁定在一起組成view，
• Consensus proof: 提交的區塊簽名。每個validator對區塊驗證后會對其進行簽名。
• Snapshot: validator的投票狀態。

共識算法描述

Istanbul BFT修改自PBFT算法，包括三個階段：PRE-PREPARE、PREPARE以及COMMIT。在N個節點的網絡中，這個算法可以最多容忍F個出錯節點，其中N=3F+1。在每一輪開始前，validator會選擇其中一個作為proposer，默認以輪詢的方式（除此之外還有sticky的方式，搜索stickyProposer方法去看細節）。然后proposer會提出一個區塊的proposal，並且廣播PRE-PREPARE信息。一旦一個validator收到PRE-PREPARE信息，會把狀態標記為PRE-PREPARED，然后廣播PREPARE信息。這一步是為了確保所有的validator在同一個seqnence和round（代碼中為view）上進行共識驗證。一旦收到2F+ 1個PREPARE信息，validator進入PREPARED狀態然后廣播COMMIT信息。這一步是為了通知節點的peer已經接收到了提出的區塊，並且即將插入區塊到鏈中。最后，validator等待2F + 1個COMMIT信息，然后進入COMMITTED狀態然后插入區塊到鏈中。
Istanbul BFT算法中的區塊是確定的，意味着鏈沒有分叉並且合法的區塊一定是在鏈中。為了防止一個惡意節點生成不同的鏈，在把區塊插入進鏈之前，每一個validator必須把2F + 1個COMMIT簽名放進區塊頭的extraData字段。因此，區塊時可以自我驗證的（因為有簽名）並且輕客戶端也支持。然而動態的extraData也會造成區塊的hash計算問題。因為一個區塊可以被不同的validator驗證，所以會有不同的簽名，所以同一個區塊會有不同的hash。解決的方案是，計算區塊hash的時候把COMMIT簽名排除在外。因此我們任然可以在保證block hash一致性的同時進行共識驗證。

共識狀態

• New Round: 一個proposer發送新的區塊proposal。validator等待PRE-PREPARE信息。
• PRE-PREPARED: 一個validator已經收到PRE-PREPARE信息，並且廣播PREPARE信息。然后等待2F + 1個PREPARE或者COMMIT信息。
• PREPARED: 一個validator已經收到2F + 1個PREPARE信息，此時把自身狀態標記為PREPARED，並且廣播COMMIT信息。然后等待2F + 1個COMMIT信息
• COMMITTED: 一個validator已經收到2F + 1個COMMIT信息，此時把自身狀態標記為COMMITTED，並且開始把提出的block插入鏈中。
• FINAL COMMITTED: 一個validator已經成功把區塊成功插入了鏈中，此時把自身狀態標記為FINAL COMMITTED，並且等待下一輪。
• ROUND CHANGE: 一個validator等待關於同一個round下的2F + 1個ROUND CHANGE信息。

狀態轉換

• NEW ROUND -> PRE-PREPARED:
  • Proposer在txpool中收集交易。
  • Proposer提出一個區塊proposal並且廣播給validator。然后進入PRE-PREPARED狀態。
  • 每一個validator進入到PRE-PREPARED狀態，一旦收到PRE-PREPARED信息並且伴隨着以下情況:
    • 區塊proposal是來自於有效的proposer。
    • 區塊頭有效。
    • 區塊proposal的sequence和round和validator的狀態匹配。
  • Validator廣播PREPARE信息給其他validators。
• PRE-PREPARED -> PREPARED:
  • Validator收到2F + 1個有效的PREPARE信息，因此而進入PREPARED狀態。有效信息需要滿足以下條件：
    • sequence和round匹配。
    • 交易hash匹配。
    • 信息是來自已知的validators。
  • 一旦進入PREPARED狀態，Validator廣播COMMIT信息。
• PREPARED -> COMMITTED:
  • Validator收到2F + 1個·有效的COMMIT信息，以此進入COMMITTED狀態。有效的信息需要滿足以下條件：
    • sequence和round匹配。
    • block hash匹配
    • 信息是來自已知的validators。
• COMMITTED -> FINAL COMMITTED:
  • Validator把2F + 1個commitment簽名放進區塊頭的extraData並且嘗試插入區塊進區塊鏈。
  • 當插入區塊成功，Validator進入FINAL COMMITTED狀態。
• FINAL COMMITTED -> NEW ROUND:
  Validators選一個新的proposer開始新的一輪。

潛在問題

• Fail-Stop failures
• 這篇文章詳細分析了IBFT
• 沒有激勵機制