TEN:比较各种共识算法的Finality和Liveness

原作者：灵魂机器由于FLPImposibility原理,Nocompletelyasynchronousconsensusprotocolcantolerateevenasingleunannouncedprocessdeath因此不要浪费时间为纯异步网络设计共识算法。解决办法就是，要么加强对网络的要求，要求网络是Synchronous或者PartiallySynchronous的，或者放松对finality的要求，不要求Deterministicfinality，只要求Probabilisticfinality即可。两者同时进行也可以。表1各种共识算法比较下面详细讲解一下上面表格中的内容。Finality

Finality看起来和Safety,Consistency很相似，又似乎有所不同，非常容易让人困惑。简单的理解，你可以认为Finality,Safety,Consistency是同义词，即Finality=Safety=Consistency。更深入理解，我认为Finality是一个综合体，Finality>Safety>Consistency。Consistency适用于所有分布式系统的，包括可信环境例如Hadoop和不可信环境例如Bitcoin；Safety适用于拜占庭环境下；Finality是在区块链这个场景下的术语，区块链是拜占庭场景下的一个子集。Consistency是CAP理论中的C，更加general,要求没有Finality那么多。Finality包含的含义比Consistency更多更强。Finality包含了下面所有含义：所有节点的数据应是一致的。客户端发出一个读操作到任意一个节点，得到的结果应该是一样的。这个就是CAP里所说的Consistency.这个术语是适用于所有的分布式系统的，包括可信环境例如Hadoop和不可信环境例如Bitcoin。所有节点要确保不进入互相冲突，分裂的状态，即safety。这个术语是适用于Byzantinefaulttolerance这个领域的，在拜占庭这种开放环境里，有恶意节点会广播两个互相冲突的消息，导致全网所有节点陷入分裂状态，达不成一直，这就破坏了Safety这个性质。所有拜占庭下的共识算法，都需要处理好恶意节点的问题，保证全网的safety。交易一旦进入区块，应该不可撤销，即Immutability。在区块链场景下，要保证Safety，不仅需要处理好恶意节点发出双花交易这种问题，而且还要防止恶意节点撤销已经打包进区块的交易。因为区块链是一个单链表，是一个线性结构，恶意节点理论上可以从旧的一个区块出发，分叉处一个更长的新链，把自己已经发出去的交易全部撤销掉，把自己的钱再花一遍综上，Finality=Consistency+Safety+Immutability。Liveness

金色相对论 | William：以太坊2.0实现“二次方分片”的难度相当大，暂停分片化执行是比较务实的做法:11月27日消息，在今日举行的金色相对论中，针对“对以太坊现在的“表现”有什么直观感受？此外对于新的“路线图”，是否支持？”的问题，OKEx首席分析师William表示，我对存款合约质押量的加速感到惊讶，因为在两周前的11月17日，质押进度只有20%，如果按当时线性增长，可能需要等到明年才能满足要求，但在过去的一周内其进度迅速加快，并最终在最后一天完成。我是比较支持新的路线图的，新路线图中谈到暂时不再强调Phase2 的重要性，这是比较务实的做法，我一直很疑惑以太坊的“二次方分片”的实际扩展性效果，包括它能否按时实现。总的来说，实现“二次方分片”的难度相当大，所以搁置Phase2，我认为暂停分片化执行是比较务实的做法。[2020/11/27 22:20:32]

Liveness可以认为与CAP中的Availability等价。当网络出现partition时，比如海底光缆断裂，将全球互联网分割成两个部分，整个区块链系统是否能正常写入新的交易？喜欢Finality的共识算法，这时候会选择无限等待，新的transaction无法写入，直到海底光缆修复，两边的互联网互通；喜欢Availabilty的共识算法，这时候两边网络会独立运作，数据分家了，两边的全节点中的数据变得不一致。比如Tendermint就是这类，牺牲Liveness追求DeterministicFinality。假设海底光缆断裂将网络分为两边，那么每一边都有一半的validator,于是在vote和commit阶段，每一边的所有validator,100%全部投票赞成某个proposalblock，最多只能收到50%的投票，达不到2/3，于是整个区块链网络会无限等待，直到收集到2/3投票为止。在这个等待期间，无法出下一个块，新的交易也无法写入，整个网络陷入瘫痪。比特币在碰到这种网络分割的时候，两部分的比特币系统会继续向前走，依旧可以写入新的transaction,产生新的区块，当海底光缆修复后，两边互联网连通后，再选择合并。在海底光缆没断之前，全球所有全节点的状态是一致的，如下图：当海底光缆断裂后，全球网络被分割为两部分，两个部分都会独立出块，这时候两边已经不一致了，但是两边各自是感知不到的，以为自己依旧是一条线性的区块链，如下图：左边和右边，虽然依旧每10分钟挖出一个新块，但是左边的block07和右边的block07，blockhash是不相等的。这时候比特币网络还是available的，只是Finality破坏了。当海底光缆修复后，这时候，两边互相同步block，会意识到出现了分叉，如下图：现在全球所有全节点的状态，变成上图，有分叉了，由于两边的高度都是8，无法决定哪个分叉是正确的，这时候，就看矿工支持哪边了，哪边的算力高，哪边先出了新块，那么哪边就胜出了，短的那条链会被抛弃，比如假设右边抢先新出了一个块，那么右边胜出，左边分叉被抛弃，所有全节点中的数据又变成一条线性区块链，达成一致了，如下图：其实即使海底光缆不断，网络没有partition,也会经常发生两个miner各自同时挖出一个新块的情况，这时候就比拼谁运气好，下一个新块继承哪一个分叉哪一个就胜出。也就说比特币理论上永远没有一个确定性的一致性状态，分叉随时会在任意高度上出现，因此比特币牺牲了一点Finality,换取更强的Liveness。NetworkAssumption

现场 | FBG创始人周硕基：到2020年9月都是比较好的行情 比特币筹码很分散 比较公平:金色财经现场报道，11月23日，币信五周年比特币硬核粉丝晚宴在北京举行。在本次晚宴上，FBG创始人周硕基表示：明年减半，币价肯定会有大的波动。币圈专业交易团队比A股都多，因为A股有准入机制，但都在Gate一些二线交易所，很少在BitMex上交易。到2020年9月份都是比较好的行情。比特币很公平，筹码很分散，而其他的币筹码很集中。其他buyback/burning机制的还可以。比较看好现金，以及比特币、BNB、HT、Cosmos。[2019/11/23]

所有分布式共识算法都对网络有一个隐含的假设前提。先说一下网络的分类：同步：消息一定会在某个的时间T内被送达，这个上限(upperbound)的值T，是已知的常量，所有节点都是知道的。如果消息在T时间内没有送达，就不对这个消息作指望了，节点认为该消息已经丢失，不会继续等它。所有节点都有条不紊的，每经过一个时间T，就往前进一步，非常整齐。半同步：消息一定会在某个的时间T内被送达，但这个T的值，不是固定的值，而是动态变化的，例如是根据网络状况动态计算出来的。所有节点异步：消息会在任意时间到达，可能很快，也可能很慢，总之没有一个明确的上限(upperbound)甚至无限期延迟，无论多晚到达，节点都要接受并处理这个消息，不能简单的因为超时就丢弃消息比特币对网络的假设就是网络是同步的，时间上限是10分钟左右，一个Miner挖出一个block后，向全网广播，这时候整个比特币系统，期望就是这个block在10分钟内会被所有在线的全节点fullnode收到，意思就是说每隔10分钟，所有全节点都会整整齐齐地往前走一步，即往自己的区块链尾部追加一个block。即使网速很快，例如3分钟不到，这个新block已经被所有全节点收到了，比特币还是会每隔10分钟往前走一步(出一个新块)。以太坊类似，不过时间上限是15秒。Tendermint在propose阶段假设网络是半同步的，因为在这一步会有一个超时时间，如果超过时间还没收到一个proposal新块，那么其他validator就会认为proposer节点已经挂了，于是出一个空块，直到round-robin到下一个proposer。Tendermint在prevote和precommit都需要收集超过2/3的投票，是无限等待的，也就是在这两个阶段是假设网络是异步的。最终，Tendermint对网络的要求是半同步的。pBFT在pre-prepare,prepare,commit三个阶段全部是异步的，既然是异步的，没有超时机制，那怎么往前进展呢？收集到了超过2/3就能继续往前进。不过所有节点在收到一个客户端的请求，都会启动一个定时器，如果在某个时间内该请求还没有执行完毕，就会触发ViewChange。ViewChange这个部分是半同步的。在这里可以体会到Tendermint相比pBFT的简化之处了。Tendermint把超时机制挪动到了propose阶段，如果proposer在规定时间内，广播出了一个proposalblock，那么就前进到下一步，如果超时了，也前进到下一步，不过这个是proposalblock是一个空块。也就是无论如何，propose阶段都会往前进入到下一步。但是Tendermint的pre-prepare是异步的，有可能永远卡主。pBFT把超时机制挪动到了ViewChange这一部分，因此pBFT就多出来一个ViewChange步骤，比Tendermint复杂了一些。Tendermint通过提交空块和round-robin更换proposer节点,而pBFT则是通过ViewChange来更换primary节点。Tendermint消除了复杂的ViewChange这一步骤。除了消除ViewChange这一点，Tendermint还在另一个地方有所简化，Tendermint的所有信息都存储在blockchain里。而pBFT是1999年提出来的，那时候还没有blockchain这个东西，因此pBFT的所有节点虽有有一致的数据，但数据是分散存放的。pBFT的每个节点的数据包括:Thestateofeachreplicaincludesthestateoftheservice,amessagelogcontainingmessagesthereplicahasaccepted,andanintegerdenotingthereplica’scurrentview.Blockchain就是一个分布式数据库，好比在MySQL这类DBMS数据库没出现之前，人们都是把数据写入文件然后存在硬盘上，发明出各种奇怪的文件格式和组织方式。有了MySQL后，管理数据就方便多了。同理，Tendermint把数据全部存入blockchain,pBFT没有blockchain这样一个分布式数据库，所有节点需要自己在硬盘上管理数据，比如为了压缩消息日志，丢弃老的消息，节省硬盘空间，引入了checkpoint的概念。Tendermint和pBFT关系类似于Raft和Paxos的关系，Tendermint是pBFT的简化版，是针对blockchain这个场景下的简化版pBFT下图是Tendermint的算法流程图：下图是pBFT的算法流程图：未完待续。。。参考资料

声音 | 《比较》杂志研究部主管：在央行层面，法定数字货币将不会采用区块链技术:11月9日，经济参考网发表《比较》杂志研究部主管陈永伟的文章《DC/EP来了！它究竟会是什么样》。文章表示，根据现有的信息来看，至少在央行层面，法定数字货币（DC/EP）将不会采用区块链技术。其原因主要还是DC/EP在定性和发行目的上与其它数字货币不同。比特币等数字货币采用区块链技术，很大一个原因是要确保分布式记账下的共识，并由此来保证其本身的货币信用。而DC/EP作为法定货币，本身有国家作为信用担保，自然无需多此一举。与此同时，目前区块链技术从效率上看还不高。以比特币为例，每一次交易都要全网验证，需要大量的时间，这显然不能适用于大规模交易的进行。[2019/11/9]

1999.Castro.PracticalByzantineFaultToleranceTendermint:ByzantineFaultToleranceintheAgeofBlockchainsConsensusCompare:Caspervs.TendermintAProofofStakeoverviewComparedwithtraditionalPBFT,whatadvantagedoesTendermintalgorithmhas?Synchronous,partiallysynchronousandasynchronousconsensusalgorithmsGRANDPABlockFinalityinPolkadot:AnIntroduction(Part1)FinalityinBlockchainConsensus

声音 | BM：正在寻找最顶级区块链工具包进行比较 以了解性能及技术:BM发推特表示：“我正在寻找最顶级区块链工具包，进行最全面的比较，以期了解性能，所使用的技术，易于开发以及适合企业使用。 企业采用什么系统，为什么采用？”（鲸交所）[2019/10/17]

动态 | 以太坊和比特币加密社区对于硬分叉比较理性 不会贸然实施分叉:据星球日报消息，区块链公司ConsenSys产品工程师Bernhard Mueller进行了一次调研，以探寻加密社区对硬分叉的态度。此次调研列出了十种可能引发硬分叉的方案和“代码即法律”场景选项，还调查了社区对以太坊和比特币的态度，旨在识别社区里的比特币极端主义者、以太坊极端主义者、以及中立者。调研结果显示，80%的加密社区受访者都是“中立”的，但以太坊极端主义者数量更多一些。同时，加密社区普遍认为，只有当关键协议出现漏洞、或是受到威胁的时候才应该实施硬分叉。

另外，此次调研还显示了以下结果： 1.如果加密货币交易所被窃的加密货币占到15%的供应量，大约三分之一的受访者支持实施硬分叉来解决问题； 2.其他所有场景均没有得到大多数人的支持，支持率也都低于10%； 3.对于“硬分叉可以用来逆转一些区块链上原本不希望发生的事情所带来的影响”这个问题，比特币和以太坊社区几乎获得完全一致的看法，即拒绝使用硬分叉来解决此类问题，不过比特币极端主义者比以太坊极端主义者的态度更加坚决。

总体而言，本次调研显示出以太坊和比特币加密社区对于硬分叉还是比较理性的，他们并不会因为一些“不靠谱”的事情就贸然实施分叉。[2019/3/24]

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