dbft2.0 塑造区块终局性的完美形态

NEO主网升级后已稳定运行超过62小时,本次升级中较为重要的改进便是NEO dBFT 2.0。为了让大家更多地了解dBFT 2.0,NEO核心开发者Jeff Solinsky在Medium上发布了以下内容介绍其优势。

翻译来自:https://neo.org/fwlink/31

概述 

NEO有很多创新性的特性,其目标愿景是实现一种智能经济。特性中重要的是快速的一次出块最终确定性以及支持快速高效的编写智能合约。为了实现一次出块,但最终确定,NEO采用了dBFT(委托拜占庭容错)的协议,它在pBFT(实用拜占庭容错)协议的基础上做了适量的修改。可以说,要想成功实现一种BFT共识协议,最大的挑战在于正确处理由于网络延迟和节点重启而可能引发的边缘情况故障。

对于一种旨在推进可适用于日常业务需求的金融交易(智能经济)的区块链而言,保证网络可用性是至关重要的。在本文中,我将描述使用dBFT 1.0时遇到的问题,及近期NEO主网部署了dBFT2.0共识协议后,协议所做的改进功能是如何消除这些问题的。

背景 

为了能够更好地理解dBFT 2.0的优点,有必要先对共识协议的一些操作细节有一定的了解。诸如NEO的dBFT之类的BFT算法需要收集到大约2/3的验证人节点的签名才能达成共识。对于dBFT协议而言,其中F是允许的故障节点数,下面的公式给出了所需的验证人节点数和所需签名数。

  • F=允许的故障节点数
  • 验证人节点=3F+1
  • 所需签名数=2F+1

NEO 1.0协议中节点要达成共识需要经过以下几个阶段:

1.   PrepareRequest:验证人节点会轮流被选为议长节点,由议长节点将交易打包到当前区块,并发起提案。对区块高度进行简单的取模运算可以用来确定区块的第一验证人。

2.   PrepareResponse:接收到PrepareRequest消息的验证人节点会验证区块中所有交易的有效性,验证通过后会在发送的PrepareResponse响应消息中附上它们的签名。

3.   收到2F+1 条PrepareResponses消息后,共识节点将创建一个带有签名的新区块。

如果在当前超时时间内未收集到所需的签名数,那么节点将发送一条ChangeView消息来选择上一个区块的议长作为议长。超时时间初始值是出块时间的2倍,之后每次超时都会加倍,直到生成新的区块为止。一旦收到2F+1条更改视图的消息,该过程将从步骤1开始再次重复执行。

问题 

NEO的dBFT 1.0算法在出现网络延迟的极少数情况下可能会受到单一区块分叉的影响。很长一段时间以来大家都知道有这个问题,并且也有相关的文档(例如这篇文章:https://neo.org/fwlink/32)记载。可能会产生分叉区块的原因是,算法允许节点在发送完PrepareResponse消息后出现超时。由于共识节点的时钟永远都不会(将来也永远不会)是100%完全同步的,节点会出现超时并在很小的时间差内转向下一个验证人节点。如果所有验证人节点中有且只有一个出现了超时,并且该验证人已经收到了2F条 PrepareResponse消息,那么它会生成一个有效的带有签名的区块,而其他验证人节点则会切换到下一个议长节点,在那里他们可以达成共识,并在同一高度对另一个区块进行签名。此时,共识节点只能建立在其中一个分叉链上;所以这个问题有时也被称为区块叉勺。虽然这种情况可能在没有停止共识的情况下发生,但许多NEO的全节点可能会接受分叉的区块并停止运行,从而导致终端用户最终所依赖的网络节点出现操作性问题。

解决方案 

dBFT 2.0通过添加类似于pBFT(实用拜占庭容错)文档中所描述的提交阶段来解决这个问题。为了防止网络中断,dBFT 2.0还在共识协议中添加了一种恢复消息机制。在共识节点出现各种操作问题时,恢复机制还会带来一个额外的好处,那就是改进出块的时间。在以下情况下性能会得到改善:

  • 网络连接不良,例如由于网络中断或针对共识节点的网络攻击。
  • 由于硬件故障、断电或其他系统问题,共识节点进程重新启动或系统重新启动。

dBFT 2.0的实现使得对共识节点任何不当行为的审计过程具有可见性。共识节点会跟踪已发生的所有提交,不允许任何其他共识节点在给定高度上提交对多个可能区块的签名。共识节点的共识日志使得共识节点的操作人以及启用了共识watch-only模式的任何全节点都可以很容易地获取这一信息。

测试和质量保证 

为了确保dBFT 2.0实现的代码质量,代码更改经历了多个测试阶段。NEO核心开发人员使用NEO的P2P插件在私有网络中进行了大量测试,模拟网络故障。在NGD管理的私有网络中也进行了类似的自动和手动测试。最后,代码在NEO的公共测试网上进行了测试。

结论 

自6月3日发布以来,NEO 2.10.2现在正运行在主网的共识节点上,今天的实践操作中我们可以看到出块时间的减少,这也是dBFT 2.0所做的一些改进,如下图1和图2所示。此外,通过这次升级,NEO共识节点现在正运行着能提高内存池性能的代码,这进一步减少了网络上的操作负担,并确保在网络出现更高交易量的期间,可以最小化出块的时间。

图1. 每分钟在NEO网络上的平均出块时间

图2. 每分钟在NEO网络上的最坏出块时间

采纳并使用于Point-of-Sale 

NEO dBFT 2.0的开发本来是作为NEO3计划的改进内容的,但现在已经提前可以在NEO 2.x上使用了。由于dBFT 2.0已经在主网上线并投入使用,企业在生产中使用NEO时所面临的绝大多数运营问题都已不再是问题。随着这个机制的实现,NEO网络在销售点交易上的使用将会得到蓬勃发展。

为了在Point-of-Sale中最有效地使用加密货币,必须同时满足高可用性和快速最终确定性的要求。即使使用诸如支付渠道之类的第二层解决方案,可以实现近乎即时的Point-of-Sale交易,但在该类渠道还没建立的情况下,能够在短时间内打开一个渠道也是很重要的。随着dBFT 2.0共识的改进,NEO现在具备了这种可靠性,而这也是让更多企业能够开始使用NEO区块链用于Point-of-Sale解决方案所必需的。

原文链接:https://medium.com/@jsolinsky/neos-dbft-2-0-single-block-finality-with-improved-availability-6a4aca7bd1c4

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