【深度知识】Tendermint共识算法原理和框架流程

忘是亡心i 2023-01-21 15:27 36阅读 0赞

# 1. 摘要 #

Tendermint是跨链Cosmos项目的核心技术。本文主要介绍以下内容：  
（1）Tendermint的网络层级框架图  
（2）Tendermint模块组成及共识算法原理  
（3）Tendermint工作流程

# 2. Tendermint概述 #

Cosmos的开发团队Tendermint其实早在2014年就开始意识到了其不足，并持续专注于寻求不依赖挖矿等高电力消耗的共识机制，提供快速的交易处理能力，它们的目标是为全事件所有的区块链提供速度、安全和可扩展性。目前，Tendermint加入了微软Azure区块链即服务平台，也成为了以太坊区块链联盟成员之一，同时Tendermint也是跨链技术Cosmos的核心技术。两者大致的关系如下：

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图中可以轻松看出Cosmos就是在Tendermint基础上添加一些插件功能来实现的。

## 2.1 Tendermint的概念 ##

Tendermint的概念总结下有以下几点：  
（1）Tendermint是一个能够在不同机器上，安全一致复制应用的软件，其中安全性和一致性也是分布式账本的关键概念。  
（2）Tendermint具备拜占庭容错能力，是一种拜占庭容错共识算法。  
（3）Tendermint主要有两部分组成：  
1）Tendermint Core：区块链共识引擎，负责节点之间数据传输以及拜占庭共识。  
2）ABCI：区块链应用程序接口(the Application BlockChain Interface )，也是一个协议，支持任何语言的交易处理实现。  
总体来讲，Tendermint可以理解为一个模块化的区块链软件框架，支持开发者个性化定制自己的区块链，而又不需要考虑共识以及网络传输的实现。

## 2.2 Tendermint设计原则 ##

区块链是一个具备确定性的状态机，可以在不信任的节点之间进行状态复制，包括应用的状态和改变状态的交易。从架构的层面上，区块链可以简单分为三个概念层：  
（1）网络层（Networking）：负责交易和数据传输和同步。  
（2）共识算法（Consensus）：负责不同的验证节点处理完交易后，保证状态的一致，也就是将交易打包到区块中。  
（3）应用程序（Application）：交易的真正执行者。

大致框架如下：

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目前大部分的区块链实现都是采用上面的框架，实现成单一的程序，但是这就很容易出现两个问题：  
（1）代码复用困难，代码库的分支管理变得复杂。  
（2）限制了应用开发的语言。

如何去规避这两个问题呢？Tendermint设计了自己的一套框架，其设计原则是易使用，易理解，高性能，适用于各种分布式应用。它的创新之处在于，将区块链应用（状态）与底层共识进行了分离，将共识引擎和P2P网络层封装组成Tendermint Core。同时提供ABCI接口与应用层进行交互，应用逻辑可以用任何语言编写，应用做的事情实际上就是状态机控制。基于这种架构，应用的开发者可以方便地实现自己的区块链。

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Tendermint的框架总体来讲分为ABCI Application以及Tendermint Core两部分，两者通过ABCI连接。

# 3. Tendermint核心模块 #

## 3.1 ABCI Application ##

开发者定制开发的区块链应用，开发语言不受限制，可以使用任何语言进行开发，但是必须实现为一个ABCI Server，即需要满足以下几点：

（1）是一个Socket Server，需支持TSP或GRPC两种方式之一。  
（2）能够处理ABCI Message。  
所有的ABCI消息类型都是通过protobuf来定义的，具体的消息格式可参考[https://github.com/tendermint/abci/blob/master/types/types.proto][https_github.com_tendermint_abci_blob_master_types_types.proto]  
（3） 实现区块链应用接口（ABCI）。  
ABCI是Tendermint中定义的一套Application与Tendermint Core之间交互的协议。详细定义如下（版本：0.10.3）：

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**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Tendermint Core作为ABCI Client在启动时，会与ABCI Server建立三个连接，分别用于这三类接口消息的处理。

在Tendermint Core与Application交互的所有消息类型中，有3种主要的消息类型：  
**（1）CheckTx消息**用于验证交易。Tendermint Core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。  
**（2）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。  
**（3）Commit消息**通知应用程序计算当前的事件状态，并存在下一区块头中。

## 3.2 Tendermint Core ##

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**：拜占庭POS算法。
 *  **P2P**：采用gossip算法，默认端口是46656。
 *  **RPC**：区块链对外接口，默认端口是46657。支持三种访问方式：URI over HTTP、JSONRPC over HTTP、JSONRPC over websockets。详细的RPC接口定义列表可以参考[https://tendermint.github.io/slate][https_tendermint.github.io_slate]
 *  **其它**：交易缓存池、消息队列等。

### 3.2.1 共识算法 ###

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，如下：

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**协议中有两个角色：**  
**（1）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（vote power）。  
**（2）提议人：**由验证人轮流产生。  
验证人轮流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，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：  
（1）该验证人必须在预提交的区块进行预投票。  
（2）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。

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：

**（1）相同点：**  
1）同属BFT体系。  
2）抗1/3拜占庭节点攻击。  
3）三阶段提交，第一阶段广播交易（区块），后两阶段广播签名（确认）。  
4）两者都需要达到法定人数才能提交块。

**（2）不同点：**  
1）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。举个例子，如果1/2的验证者是拜占庭节点，Tendermint中这些拜占庭节点能够阻止区块的提交，但他们自己也无法提交恶意块。而在PBFT中拜占庭节点却是可以提交块给客户端。  
简单的说，就是比特币的网络存在分叉的可能，而Tendermint不会发生这种情况。  
2）另一个不同点在于拜占庭节点概念不同，PBFT指的是节点数，而Tendermint代表的是节点的权益数，也就是投票权力。  
3）最后一点，PBFT需要预设一组固定的验证人，而Tendermint是通过要求超过2/3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。

**锁机制详解**  
举个例子，有四个validator 节点，A,B,C,D, 在某个R轮，在propose阶段，  
（1）proposer节点广播出了新块blockX；  
（2）A的超时时间内没有收到这个新块，向外广播pre-vote nil，B,C,D都收到了，向外广播pre-vote投给blockX；  
（3）现在四个节点进入了pre-commit阶段，A处于红色内圈，B,C,D处于蓝色外圈；  
（4）假设A由于自身网络不好，又没有在规定时间内收到超过2/3个对blockX的投票，于是只能发出 pre-commit nil投票消息投给空块  
（5）D收到了B和C的pre-vote消息，加上自己的，就超过了2/3了，于是D在本机区块链里commit了blockX  
（6）假设此时B和C网络出现问题，收不到D在pre-commit消息，这是B和C只能看到2票投给了blockX，一票投给了空块，全部不足2/3，于是B和C都只能 commit空块，高度不变，进人R+1轮，A也只能看到2票投给了blockX，一票投给了空块，也只能commit空块，高度不变，进人R+1轮；  
（7）在R+1轮，由于新换了一个proposer, 提议了新的区块blockY，A,B,C 三个个可能会在达成共识，提交blockY，于是在同样的高度，就有blockX和blockY两个块，产生了分叉？其实，Tendermint加上了锁的机制，具体就是，在第7步，即使proposer出了新块blockY，A,B,C只能被锁定在第6步他们的pre-commit块上，即A在第6步投给了空块，那么在第R+1轮，只能继续投给空块，B在第6步投给了blockX，那么在新一轮，永远只能投给blockX，C也是类似。这样在R+1轮，就会有1票投给空块，两票投给blockX，最终达成共识blockX，A,B,C三人都会commit blockX，与D一致，没有产生冲突。

## 3.2.2 P2P网络 ##

Tendermint的P2P网络协议借鉴了比特币的对等发现协议，更准确地说，Tendermint是采用了BTCD的P2P地址簿（Address Book）机制。当连接建立后，新节点将自身的Address信息（包含IP、Port、ID等）发送给相邻节点，相邻节点接收到信息后加入到自己的地址薄，再将此条Address信息，转播给它的相邻节点。

此外为了保证节点之间数据传输的安全性，Tendermint采用了基于Station-to-Station协议的认证加密方案，此协议是一种密钥协商方案，基于经典的DH算法，并提供相互密钥和实体认证。大致的流程如下：

（1）每一个节点都必须生成一对ED25519密钥对作为自己的ID。  
（2）当两个节点建立起TCP连接时，两者都会生成一个临时的ED25519密钥对，并把临时公钥发给对方。  
（3）两个节点分别将自己的私钥和对方的临时公钥相乘，得到共享密钥。这个共享密钥对称加密密钥。  
（4）将两个临时公钥以一定规则进行排序，并将两个临时公钥拼接起来后使用Ripemd160进行哈希处理，后面填充4个0，这样可以得到一个24字节的随机数。  
（5）得到的随机数作为加密种子，但为了保证相同的随机数不会被相同的私钥使用两次，我们将随机数最后一个bit置为1，这样就得到了两个随机数，同时约定排序更高的公钥使用反转过的随机数来加密自己的消息，而另外一个用于解密对方节点的消息。  
（6）使用排序的临时公钥拼接起来，并进行SHA256哈希，得到一个挑战码。  
（7）每个节点都使用自己的私钥对挑战码进行签名，并将自己的公钥和签名发给其它节点校验。  
（8）校验通过之后，双方的认证就验证成功了。后续的通信就使用共享密钥和随机数进行加密，保护数据的安全。

# 3.3 应用示例 #

Tendermint官方项目里内置了ABCI Application的两个简单实现counter以及kvstore。这个两个Demo逻辑非常简单，运行起来也非常简单，以kvstore为例，只需要下面三条简单的指令就可以轻松的跑起来：

> tendermint init

> abci-cli kvstore

> tendermint node

复杂一点，假设想使用Tendermint实现一套类似Ethereum的应用，最终应该是这样：

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由Tendermint Core负责交易和区块的共享以及共识处理，开发者只需将go-ethereum和ABCI Server集成一个ABCI应用。Ethermint项目就是Tendermint团队开发的一个类似应用，大家可以参考，遗憾的是目前Ethermint目前只支持低版本的abci和go-ethereum。

# 4. Tendermint工作流程 #

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**上图简单描述了Tenermint的工作流。大致为：**  
（1）client通过RPC接口broadcast\_tx\_commit提交交易；  
（2）mempool调用ABCI接口CheckTx用于校验交易的有效性，比如交易序号、发送者余额等，同时订阅交易执行后的事件并等待监听。  
（3）共识从mempool中获取交易开始共识排序，打包区块，确定之后依次调用ABCI相关接口更新当前的事件状态，并触发事件。  
（4）最终将交易信息返回client。

# 5. 参考 #

本文转载自[《深度解析Tendermint，快速融入Cosmos生态》][Tendermint_Cosmos]。

更多Tendermint资料参考：  
（1）拜占庭共识Tendermint介绍及简单入门  
[https://blog.csdn.net/niyuelin1990/article/details/80537329][https_blog.csdn.net_niyuelin1990_article_details_80537329]  
（2）Tendermint 说明文档  
[https://tendermint.readthedocs.io/en/master/][https_tendermint.readthedocs.io_en_master]  
（3）Tendermint GIT地址  
[https://github.com/tendermint/tendermint][https_github.com_tendermint_tendermint]  
（4）深度解析Tendermint，快速融入Cosmos生态\[质量高\]  
[https://zhuanlan.zhihu.com/p/38252058][Tendermint_Cosmos]  
（5）区块链框架 Tendermint 入门教程  
[https://hbliu.coding.me/2018/04/02/tendermint-introduction-1/][https_hbliu.coding.me_2018_04_02_tendermint-introduction-1]  
（6）详解Tendermint共识算法  
[https://www.odaily.com/post/5134145][https_www.odaily.com_post_5134145]  
（7）分布式一致性协议介绍（Paxos、Raft）  
[https://www.cnblogs.com/zhang-qc/p/8688258.html][https_www.cnblogs.com_zhang-qc_p_8688258.html]

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[Tendermint_Cosmos]: https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F38252058
[https_blog.csdn.net_niyuelin1990_article_details_80537329]: https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fblog.csdn.net%2Fniyuelin1990%2Farticle%2Fdetails%2F80537329
[https_tendermint.readthedocs.io_en_master]: https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Ftendermint.readthedocs.io%2Fen%2Fmaster%2F
[https_github.com_tendermint_tendermint]: https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fgithub.com%2Ftendermint%2Ftendermint
[https_hbliu.coding.me_2018_04_02_tendermint-introduction-1]: https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fhbliu.coding.me%2F2018%2F04%2F02%2Ftendermint-introduction-1%2F
[https_www.odaily.com_post_5134145]: https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fwww.odaily.com%2Fpost%2F5134145
[https_www.cnblogs.com_zhang-qc_p_8688258.html]: https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fwww.cnblogs.com%2Fzhang-qc%2Fp%2F8688258.html