什么是共識算法又有哪些優(yōu)點跟缺點

在廣州貝塔咖啡舉辦的迅雷鏈技術(shù)沙龍上，迅雷鏈底層工程師張驍就迅雷鏈共識算法的內(nèi)在細節(jié)，向到場的開發(fā)者和區(qū)塊鏈愛好者做了詳細解讀。DPoA+PBFT的算法保證了分布式系統(tǒng)中的強一致性和高效率共識，吸引了在場來賓的關(guān)注。

什么是共識算法？

張驍認為，區(qū)塊鏈建立在分布式系統(tǒng)上，有若干個節(jié)點，每個節(jié)點都會維護自己的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要保證一致性。如果不同的節(jié)點提供的數(shù)據(jù)不同，就不是一個能夠正常對外工作的分布式系統(tǒng)。所以在區(qū)塊鏈中，需要把這些數(shù)據(jù)通過復(fù)制和同步，來保持一致性，這個過程就叫做共識。

共識過程中所使用的算法就叫共識算法。對于區(qū)塊鏈來說，共識算法的作用就是制定達成共識的標準，即當(dāng)數(shù)據(jù)有所不同時，以誰的為準。張驍深入淺出，用通俗易懂的方式，解釋了這個概念。

當(dāng)前主流共識算法的分類

張驍表示，目前共識算法可分為概率一致性共識和絕對一致性共識。

概率一致性共識算法是指在某一個時間點上，允許數(shù)據(jù)有一些不一致情況的算法。比如比特幣采用的算法，就是一種典型的概率一致性算法。比特幣達成共識的過程中，如果在同一個時間點有兩個不同的節(jié)點，都找到了滿足這個條件的計算公式，就相當(dāng)于都可以產(chǎn)生一個區(qū)塊，然后就產(chǎn)生了分叉。當(dāng)然，這種分叉是會被下一輪的挖礦和共識過程所修正的，最終還是會達成一致，但在其誕生后的一小段時間里，是無法達成一致的。

絕對一致性共識算法是指數(shù)據(jù)始終保持一致性的算法，它通過犧牲一定的可用性，保證了數(shù)據(jù)的一致，其中又可以細分CFT和BFT兩個類型。

CFT算法的特點是確定一個固定的節(jié)點數(shù)量，只要有達到這個數(shù)量的節(jié)點確認，那么共識就算達成。比如總共有11個節(jié)點，確定只要4個節(jié)點投票確認某次交易，那么這次交易就算完成。這樣做的結(jié)果是交易確認速度很快，同時結(jié)果永遠都是確定的，而且不會出現(xiàn)分叉。

BFT算法是另外一種常見的絕對一致性算法，它達成共識的過程分為三個階段，分別是預(yù)準備、準備還有提交，其共識過程是：

1.預(yù)準備階段：某個節(jié)點為從客戶端收到的請求分配提案編號，然后發(fā)出預(yù)準備消息，廣播給其它節(jié)點；

2.準備階段：其它節(jié)點收到預(yù)準備消息后，檢查消息合法性，如果檢查通過則向其他節(jié)點發(fā)送準備消息，并帶上自己的ID信息，同時接收來自其他節(jié)點的準備信息。收到準備消息的節(jié)點對消息同樣進行合法性檢查驗證，全網(wǎng)中至少2/3的節(jié)點驗證過的消息，才會真正進入準備狀態(tài);

3.提交階段：向全網(wǎng)所有節(jié)點廣播進入準備狀態(tài)的消息，然后由所有節(jié)點進行投票，投票數(shù)達2/3后該消息通過。

各種共識算法的優(yōu)缺點

張驍指出，以比特幣為代表的概率一致性算法的缺點是，對確認時間的要求比較長。比特幣出塊速度為10分鐘，同時還要經(jīng)過6個區(qū)塊的確認，才能得到最終的確定。即要經(jīng)過60分鐘之后，某個交易才能得到確認，而且還不一定能夠保證支付成功。這在實際應(yīng)用過程中是無法接受的，誰也不能付款后還要等1個小時，才能確定到底有沒有完成付款、拿走東西。

因此，概率一致性算法不適合實際商用，無法滿足實際商業(yè)場景中對交易確認速度、并發(fā)處理的要求。

CFT算法的問題是不能防止節(jié)點間的撮合，比如有4個相熟的節(jié)點勾結(jié)到一起，這樣幾乎就可以確認所有交易。同時也不能防止節(jié)點作惡，比如一個節(jié)點向其中4個節(jié)點發(fā)出一個確認請求，再向其它的節(jié)點發(fā)出另一個完全相反的確認請求，這樣就會同一時間形成兩個完全不同的交易結(jié)果，由此導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)偏差。

因此，CFT算法基本只能在能夠確保節(jié)點誠實度的情況下使用，比如私有鏈。

BFT算法彌補了CFT的漏洞，杜絕了節(jié)點撮合交易和作惡的可能性，每一次交易都經(jīng)過兩輪投票，多次驗證，因此不會出現(xiàn)惡意交易的情況出現(xiàn)。

但它有兩個缺點，一是容錯率變低，因為每輪投票都需要至少2/3的節(jié)點通過才行，所以BFT算法下，節(jié)點最多只能容忍不到1/3的節(jié)點出現(xiàn)故障，如果超過，整個區(qū)塊鏈都不能運行。

其次是由于要進行3個階段，每個階段都需要對全網(wǎng)進行廣播，所以通信量非常大，是節(jié)點總數(shù)量的次方級。因此在節(jié)點數(shù)量比較多的情況下，BFT算法會顯得效率很低，簡單說，就是這種算法不太適用于多節(jié)點的區(qū)塊鏈。

迅雷鏈采用什么共識算法？

基于以上共識算法都無法滿足要求，為了更好的適應(yīng)各種大型商業(yè)場景，迅雷鏈提出了獨有的同構(gòu)多鏈架構(gòu)結(jié)合DPoA+PBFT的共識算法。

迅雷鏈基于玩客云共享計算提供的150萬個節(jié)點而產(chǎn)生，迅雷鏈先是從這150萬個節(jié)點中，挑選那些在線穩(wěn)定、傳輸通暢、性能較好的優(yōu)質(zhì)節(jié)點，集中成一個備選池，再用DPoA算法，從這備選池里挑選出一定數(shù)量的節(jié)點，組成整個迅雷鏈的記賬網(wǎng)絡(luò)。這些節(jié)點會定期輪換、重選，以避免記賬節(jié)點暴露，被外界攻擊。

而在記賬過程中，采用PBFT算法。PBFT算法的優(yōu)點是確認速度快、并發(fā)處理性能高，而且還永不分叉，有很強的一致性，非常適合于實際商用。

但PBFT也有缺點，一是容錯率低，需要保證記賬節(jié)點擁有較高的在線率，二是通信量大，不適合于太多節(jié)點的區(qū)塊鏈。迅雷鏈自身的特點，恰好彌補了這兩個缺陷。

首先，迅雷鏈所有記賬節(jié)點都是優(yōu)中選優(yōu)挑選出來，而且還有大量備用，因此一來節(jié)點故障率本身就不高，二來一旦有節(jié)點出現(xiàn)故障，可以從備選池中立即選擇新的節(jié)點來補上。150萬+的總節(jié)點數(shù)，保證了隨時都有足夠的備選節(jié)點使用。

同時由于是采用DPoA算法來挑選記賬節(jié)點，所以在同一時間記賬的節(jié)點數(shù)量不會很多，完美規(guī)避了PBFT算法通信量大的缺點。

基于這種雙重算法的設(shè)計，迅雷鏈才能在保證安全性、去中心化程度的同時，又能實現(xiàn)百萬級TPS、秒級確認速度等超高性能，并能保證不分叉、不回滾，是目前最適合實際商用需求的區(qū)塊鏈。

張驍最后說，沒有任何一種共識算法是最好的，我們不能說到底是POW好，還是DPoA+PBFT好。因為算法好不好，要根據(jù)實際承載的區(qū)塊鏈來判定，通過區(qū)塊鏈面向的業(yè)務(wù)場景和目標去考量。迅雷鏈作為區(qū)塊鏈3.0時代的引領(lǐng)者，需要能夠接納更多的商戶上鏈，能夠達到百萬級的TPS，能夠讓交易在每秒級別的時間當(dāng)中確認。在這樣的需求下，再結(jié)合到有150萬以上節(jié)點的玩客云硬件支持，所以最終選擇了DPoA+PBFT的算法，成就了迅雷鏈的最強心臟。