tendermint共识解析

本文关于tendermint的共识部分，主要参考如下：
1. Ethan Buchman:Tendermint: Byzantine Fault Tolerance in the Age of
Blockchains
2. tendermint中文文档
3.tendermint的一个论文
4. 万向区块链对参考0中论文的翻译
5. tendermint官方doc

本文着重介绍tendermint的共识方面的细节。

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tendermint共识状态机解析

上图中每个step，其实都是共识状态机中的一个状态，状态转换周期如下：

NewHeight -> (Propose -> Prevote -> Precommit)+ -> Commit -> NewHeight ->...

gossip 都广播哪些内容？

我们知道在驱动状态机最重要两个因素，一个是通信（tendermint中的P2P是以gossip协议和reactor模式为基础）；另一个就是event（设计上任何异步通讯的过程都离不开event），这两部分的内容后面有机会的话会单独写文章解析，现在我们先来看看gossip都广播哪些内容，以使节点都能跟进当前的共识状态。
以下引用自官方文档，逐条说明本人结合源码对其的解析：

• Nodes gossip PartSet parts of the current round's proposer's proposed block. A LibSwift inspired algorithm is used to quickly broadcast blocks across the gossip network.

说明：partset代表block的一些简要信息，其结构如下：

type PartSet struct {
  total int
  hash  []byte

  mtx           sync.Mutex
  parts         []*Part
  partsBitArray *bits.BitArray
  count         int
}

• Nodes gossip prevote/precommit votes. A node NODE_A that is ahead of NODE_B can send NODE_Bprevotes or precommits for NODE_B's current (or future) round to enable it to progress forward.

说明：这条要结合下面状态机的prevote、precommit状态解析中的step ends一起理解。因为prevote，precommit都需要2/3+的票数通过，才能进行状态转换。

• Nodes gossip prevotes for the proposed PoLC (proof-of-lock-change) round if one is proposed.

说明：gossip prevotes的另一个用处是polka unlock.

• Nodes gossip to nodes lagging in blockchain height with block commits for older blocks.

说明：gossip block，落后的节点同步新block。

• Nodes opportunistically gossip HasVote messages to hint peers what votes it already has.

说明：节点偶尔gossip HasVote消息

• Nodes broadcast their current state to all neighboring peers. (but is not gossiped further)

说明：节点gossip 当前所在状态（未来版本不再gossip此部分）

共识状态解析

接下来让我们逐条分析各个共识状态。

1. propose step(height:H,round:R)

客户端发起一笔交易gentx，通过rpc发到tendermint节点后进入mempool cache，tm调用checktx的abci接口验证交易，如果验证成功就进入mempool，proposer节点选择打包交易到区块中，并将区块附到proposalMsg中，对此msg进行签名，然后通过gossip把此msg广播到区块链网络中。

一个proposal包含一个(H,R)的block，和一个可选的最近的PoLC-Round < R，当然前提是proposer知道此可选参数（PoLC：proof of lock change，指的2/3+ prevote某个block），这样适当保住了共识网络的liveness。

Upon entering Propose:

指定的proposer 提议了一个block(H,R).

The Propose step ends:

1. timeoutProposeR 超时，则进入-->Prevote(H,R)
2. 当收到了proposal block，并且改validator的所有prevote step 都在PoLC-Round，则进入-->Prevote(H,R)。（要理解这点，重点要理解某个validator有可能involve在若干个round，相当于说你其他轮中都过了prevote的step，才能进入新一轮的prevote step？但如果有锁的情况下即使进入了prevote轮，你也不能prevote了）
3. After common exit conditions

Note:
注意每轮共识开始时，validator节点在本地会有一个本地同步时钟，用来记时ProPose timeout, 如果在timeout时间周期内没有收到proposer节点的提议，对该提议的预投票为空（nil），validator节点会投票决定是否进入下一轮共识，validator也可以通过治理模块投票移出或者替换拜占庭验证者。而propose timeout也会随着每轮共识而增加。所以可以理解为此过程是同步过程。
但是在其后的prevote和precommit的两阶段共识是完全异步的，从而减少对时钟同步的依赖，或者网络延迟。但这也同样存在一个问题，如果这两阶段共识中就是得不到1/3以上validator的投票，整个区块链网络将瘫痪（此处其实有待看源码仔细研究，因为这两个阶段也是有timeout定时器的，重点关注step end的条件，以此来分析可能引起网络hang住的场景）。这个问题的本质其实就是FLP不可能定理。FLP 原理实际上说明对于允许节点失效情况下，纯粹异步系统无法确保一致性在有限时间内完成。
所以tendermint其实在一定程度是假定节点中大部分都是正常节点。

2. prevote step (height:H,round:R)

每个节点收到propose消息后，会先对区块进行验证，如果验证通过才开始prevote签名，然后广播到网络中。

Upon entering Prevote, each validator broadcasts its prevote vote.

1. First, if the validator is locked on a block since LastLockRound but now has a PoLC for something else at round PoLC-Round where LastLockRound < PoLC-Round < R, then it unlocks.（这条好理解，就是解锁条件，重点还是要理解异步）。
2. If the validator is still locked on a block, it prevotes that. （这条是因为锁的规则，他只能prevote自己lock住的block，但是会引起重复prevote？这个还得结合源码研究）。
3. Else, if the proposed block from Propose(H,R) is good, it prevotes that.（没啥好解释的，就是验证了proposal后正常prevote）
4. Else, if the proposal is invalid or wasn't received on time, it prevotes .（proposal无效，或者定时器超时，就prevote）

The Prevote step ends:

• After +2/3 prevotes for a particular block or . -->; goto Precommit(H,R)
• After timeoutPrevote after receiving any +2/3 prevotes. --> goto Precommit(H,R)
• After common exit conditions

3. Precommit Step (height:H,round:R)

Upon entering Precommit, each validator broadcasts its precommit vote.

1. If the validator has a PoLC at (H,R) for a particular block B, it (re)locks (or changes lock to) and precommits B and sets LastLockRound = R.(说明了什么时候上锁）
2. Else, if the validator has a PoLC at (H,R) for , it unlocks and precommits .（说明了什么时候precommit nil，简言之，就是获得了POLC的）
   3.Else, it keeps the lock unchanged and precommits .(最后剩下的情况也就是超时了吧？）

A precommit for means "I didn’t see a PoLC for this round, but I did get +2/3 prevotes and waited a bit".（这句可以理解为没有获得非nil的POLC，而且等待了timeout时间段）

The Precommit step ends:

1. After +2/3 precommits for . --> goto Propose(H,R+1)（注意，并没有commit nil。prevote nil、precommit nil进入下一轮，因此tendermint中没有类似PBFT中的viewchange ）
2. After timeoutPrecommit after receiving any +2/3 precommits. --> goto Propose(H,R+1)（我理解此处+2/3 precommits是笔误？应该是+2/3 prevotes？）
3. After common exit conditions

Common exit conditions

1. After +2/3 precommits for a particular block. --> goto Commit(H)
2. After any +2/3 prevotes received at (H,R+x). --> goto Prevote(H,R+x)
3. After any +2/3 precommits received at (H,R+x). --> goto Precommit(H,R+x)
   第一点，可理解为在R内要追赶最新状态，尽快commit。
   后两点可理解为要追赶更新的R。

4. Commit Step (height:H)

1. Set CommitTime = now()
2. Wait until block is received. --> goto NewHeight(H+1) //注意此处要等到本轮的块到了才会进入NewHeight step.

5. NewHeight Step (height:H)

Move Precommits to LastCommit and increment height.
Set StartTime = CommitTime+timeoutCommit
Wait until StartTime to receive straggler commits. --> goto Propose(H,0)

小结

锁

在异步网络中，一个最大的问题就是同高度上，在不同的round提交了不同的block。tendermint引入了锁的机制。

什么时候锁？

每个validator锁定在他获得PoLC的block中，然后只能对该block precommit，在后面的R中，如果没有unlock也只能prevote此block。

什么时候解锁？

提交了一个当前锁定的块后
在下一轮（准确说应该是PoLC round）看到PoLC（proof of lock change，在新的一轮收到大于2/3 prevote的block）时获得解锁, 解锁后不会在PoLC round 投票了，因为在该R中已经获得了polka，也就是说已经结束了prevote state。

锁定规则

验证者只能预投票（pre-vote）他们被锁定的区块(因为他在某Round中prevote的block未必和precommit的block是相同的)。这样就阻止验证者在同一个高度，上一轮中预提交（pre-commit）一个区块，之后又预投票了下一轮的另一个区块。

Proof of Safety

假设有-1/3的Byzantine voting power（-1/3指不到1/3）, 在R轮时，validator commit一个block B。这就意味着有1/3+的诚实节点lock在了R' > R, 他们直到获得在R`>R 的POLC才能unlock。但是这种unlock的情况不会发生，因为剩余的-2/3个节点能投票给B以外的block，无法形成POLC。（这不是会导致诚实节点一直锁吗？从而网络hang住？）

Proof of Liveness