Istanbul BFT共识算法详细文档

Istanbul BFT作为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还是值得学习和借鉴的。

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

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（轮数改变可能由于出错或者区块更新）。
• 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: 将来的信息记录在backlog里面。core.backlogs
• Round state: Round和Sequence绑定在一起组成view，
• Consensus proof: 提交的区块签名。每个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，这个算法可以最多容忍F个出错节点，其中N=3F+1。在每一轮开始前，validator会选择其中一个作为proposer，默认以轮询的方式（除此之外还有sticky的方式，搜索stickyProposer方法去看细节）。然后proposer会提出一个区块的proposal，并且广播PRE-PREPARE信息。一旦一个validator收到PRE-PREPARE信息，会把状态标记为PRE-PREPARED，然后广播PREPARE信息。这一步是为了确保所有的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状态然后广播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，并且即将插入区块到链中。最后，validator等待2F + 1个COMMIT信息，然后进入COMMITTED状态然后插入区块到链中。 Istanbul BFT算法中的区块是确定的，意味着链没有分叉并且合法的区块一定是在链中。为了防止一个恶意节点生成不同的链，在把区块插入进链之前，每一个validator必须把2F + 1个COMMIT签名放进区块头的extraData字段。因此，区块时可以自我验证的（因为有签名）并且轻客户端也支持。然而动态的extraData也会造成区块的hash计算问题。因为一个区块可以被不同的validator验证，所以会有不同的签名，所以同一个区块会有不同的hash。解决的方案是，计算区块hash的时候把COMMIT签名排除在外。因此我们任然可以在保证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，并且广播PREPARE信息。然后等待2F + 1个PREPARE或者COMMIT信息。
• PREPARED: 一个validator已经收到2F + 1个PREPARE信息，此时把自身状态标记为PREPARED，并且广播COMMIT信息。然后等待2F + 1个COMMIT信息
• COMMITTED: 一个validator已经收到2F + 1个COMMIT信息，此时把自身状态标记为COMMITTED，并且开始把提出的block插入链中。
• FINAL COMMITTED: 一个validator已经成功把区块成功插入了链中，此时把自身状态标记为FINAL COMMITTED，并且等待下一轮。
• 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并且广播给validator。然后进入PRE-PREPARED状态。
  • 每一个validator进入到PRE-PREPARED状态，一旦收到PRE-PREPARED信息并且伴随着以下情况:
    • 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信息给其他validators。
• PRE-PREPARED -> PREPARED:
  • Validator收到2F + 1个有效的PREPARE信息，因此而进入PREPARED状态。有效信息需要满足以下条件：
    • 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。有效的信息需要满足以下条件：
    • 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并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