在本文中，我们尝试从零开始设计一个拜占庭容错的共识算法。但由于本文是在阅读大量文献之后，思考整理得出的，难免会有“事后诸葛亮”的嫌疑，但这不要紧，我们的目的也不是真的为了设计一个全新的共识算法，而是站在设计者的角度，思考一个共识算法是如何一步步得出的。当然，在推理过程中，我们也会使用尽可能少的已知条件，让“从零开始”不那么“哗众取宠”。相信本文会让你对共识算法有一个较为全面的理解，以后如果遇到新的共识算法，也可以使用本文的思路分析，快速拿下。

1.2 概念澄清

在开始之前，我们先理清一些基本概念。

分布式一致性算法（共识算法）：使集群中多个节点保持数据状态一致的通信算法。

拜占庭错误：节点除了宕机（不发送消息），还可能出现随机的恶意行为（发送假消息）。

拜占庭容错算法：能够容忍拜占庭错误的共识算法。设集群中拜占庭节点（错误节点）数为 f，当总结点数 N < 3f+1 时，不存在一个拜占庭容错算法。即总节点的最小数量为 3f+1，本文我们使用这个数量作为总节点的数量。

共识算法的正确性可以分为以下两个性质：

安全性 (safety)，也叫一致性 (agreement)，表示 所有正确节点执行的请求（包括顺序）一致。
活性 (liveness)，也叫可终止性 (termination)，表示 共识总能在有限时间内达成。

换句话说，如果没有安全性，不同节点就可能执行了不同请求，使系统失去了一致性，这是不可容忍的；如果没有活性，那么系统会永远“卡住”，无法处理请求。下面我们从这两个特性出发，尝试站在设计者的角度看一个拜占庭容错的共识算法是如何诞生的。

1.3 假设

为了让算法在可证明正确性的同时可被实际应用，我们需要在特定的网络下设计算法。存在以下几个网络模型：

同步（asynchrony）：网络延迟存在一个已知的固定上限 Δ。即消息总能在 Δ 时间内传输到目标节点。
异步（synchrony）：网络延迟不存在固定上限 Δ。即消息不一定能在固定时间内传输到目标节点。
部分同步（partially synchrony）：网络延迟固定上限 Δ 已知，但仅在一个未知的时间 GST（global stabilization time）后成立。也就是在 GST 之后，网络为同步网络。当然，同步网络不会永远保持，只会保持一定时间，所以部分同步可以看成是异步网络和同步网络交替进行的网络模型。

实际的网络可能存在丢包、分区等情况，所以不是一个同步的网络；而在异步网络下，无法保证活性；部分同步网络最符合实际，因此我们算法的设计将会基于这个假设。

我们需要设计一个这样的共识算法：即使是在异步网络下，也要保证安全性；在同步网络下，保证活性。这样，在部分同步网络下，就能保证算法的安全性和活性。

分布式一致性算法早在上个世纪就被广泛研究，但随着区块链的兴起，再次进入人们的视野。为了方便讨论，同时使共识算法更贴近于区块链的场景，我们把算法的一些参数对应到区块链中，把“请求”称为“区块”，请求的执行顺序称为“高度”，区块按照高度顺序串联起来就成了区块链。但请记住，共识算法并不关心请求是什么，不同系统可以有不同的请求结构。

同时，我们假设共识为单线程的，即只有完成上一个区块的共识，才能开始下一个区块的共识。并且我们假设存在某个机制，当节点发现自身区块落后于其他节点时，会自动从其他节点同步，本文不对这个机制做具体描述，并简单使用“快速恢复机制”来指代这个过程。

1.4 安全性

如何共识？

系统如何对一个高度的区块达成共识呢？这可以类比一个民主的组织如何达成一个决策，往往会有一个提案者（proposer，为了便于讨论，我们暂且称为 leader）提出一个方案，其他成员进行投票表决。对应到共识算法中，我们需要选出一个 leader，对于某个高度，（收集交易并）组装区块（这个过程我们简称为“出块”，组装好的含高度的区块我们称为“提案”）并广播，其它节点收到的提案后广播投票，收集其他节点的投票，当收集到足够多的相同投票时，确定该提案。

收集多少投票？

由于有 f 个拜占庭可能不投票，所以收集到 2f+1 个投票就该停止，否则系统将失去活性。由此我们给节点引入一个行为：

行为1：节点收集到 2f+1 个相同投票（含提案）时，提交该提案，执行区块并存储，最后向客户端响应。

加锁

另外，由于 leader 可能为错误节点，可能故意向不同节点发送不同提案（同一高度的不同区块），所以为了保证安全性，正确节点只会对某个高度投一票，即当高度 H 已经给区块 A 投过票时，不会再对该高度的其他区块投票，我们称这个行为为“加锁”，并且说节点对于高度 H “锁定”在了区块 A。

由此，我们引入第二个行为限制：

行为2：对于某个高度，正确节点发起或收到一个提案时，会锁定该区块，并坚持对已锁定的区块进行提案或投票，而会忽略该高度下的其他区块提案。

QC 性质

有了加锁机制之后，不同节点还有没有可能在同一高度提交不同区块呢？

稍加推理，我们会发现这是不可能的：假设在高度 H 上，节点 1 提交了区块 A，节点 2 提交了区块 B。那么说明有 2f+1 个节点对区块 A 投了票，有 2f+1 个节点对区块 B 投了票，由于总节点数为 3f+1，所以这两部分节点的交集为 (2f+1)*2 - (3f+1) = f+1，其中错误节点数为 f，所以交集一定有一个正确节点，这个节点对区块 A 和区块 B 都投了票，这与行为 2 产生了矛盾，所以假设不成立。

可见 2f+1 既是我们为了保证活性只能收集的最大数量，同时也是投票的最小数量（为了保证交集至少有一个正确节点），这个投票对应的节点集合称为 Quorum（委员会），投票集合称为 Quorum Certificate（委员会证书，简称 QC）。正如我们上面分析的，QC 具有一个非常重要的性质：任何两个 Quorum 至少有一个共同的正确节点。我们把这个性质称为 QC 性质。因为一个 Quorum 的节点数量为 2f+1，而错误节点数为 f，因此 Quorum 中至少有 f+1 个正确节点，所以 QC 性质也可以表述成 任何两个 f+1 个正确节点的集合至少有一个共同节点。关于 QC 性质的更多讨论，可以参考我的另一篇文章：深入理解PBFT算法——提交阶段的作用。

1.5 活性

上文我们讨论了安全性，接下来我们重点关注下活性。

视图切换

共识算法活性丢失的最直接来源是 leader 出错。当 leader 为错误节点时（宕机或发送任意消息等），可能完全不发提案，也可能给其他节点发送任意不同的提案，使得每个节点都无法收集够 2f+1 个正确投票，共识无法正常进行。所以当检测到 leader 为错误节点时，需要更换 leader，我们称 leader 的一个任期为视图（view），更换 leader 的过程为 “视图切换”，每个视图有一个唯一的编号，称为视图号，并且每次视图切换时视图号都递增 1。至此，提案除了高度和区块之外，还多了一个视图号。

那么如何检测 leader 出错呢？最简单的办法是设定超时时间，如果超过某个时间还没有对某个高度的提案达成共识，就认为 leader 为错误节点，触发视图切换。

如何选举下一任的 leader 呢？最简单的办法是轮流法，即当前 leader 节点编号 = 视图号%节点数。其中“%”表示取余。

视图切换成功之后，假如上一个视图的共识没有遗留，即所有节点处于一致状态，那么新 leader 可以重新发起提案，继续推动共识的进行。

由于我们是用超时来触发视图切换的，所以不能断定上一个 leader 为错误节点，同时也无法保证旧视图中的共识已经全部完成，可能存在部分节点已经提交了某个区块，但其他节点还没收到该区块的情况，此时新 leader 必须保证这些区块能被所有正确节点提交。下面我们列举下进入新视图时各种可能的异常情况，同时一起思考新 leader 应该如何处理这些异常。

只有部分正确节点（大于等于 f+1）锁定了某个区块（该区块可能已被部分正确节点提交），其他正确节点未锁定任何区块。
只有部分正确节点（小于 f+1）锁定了某个区块（该区块一定没有被任何节点提交），其他正确节点未锁定任何区块。
正确节点锁定在了不同区块。

造成以上情况的原因是不难推测的，若有疑问可以参考附录的【情况分析】。在新视图中，我们来看看节点可以怎么做：

情况 1：假如新 leader 为正确节点，且在上一个视图中锁定该区块了，那么本次继续使用该区块发起提案，其他节点对该区块投票，可以正常达成共识。假如新 leader 为错误节点（或者新 leader 为正确节点，但在上一个视图中没有锁定该区块），那么如果发起一个不同的提案，是不可能收集到足够投票的（行为 1 和行为 2 保证了安全性），并且可能使得其他节点锁定在这个区块，演变成了情况3；若没有使得其它节点锁定在不同区块，那么多次视图切换之后总能轮到锁定该区块的正确节点出块（活性）。

情况 2：假如新 leader 为正确节点，且在上一个视图中锁定该区块了，那么本次继续使用该区块发起提案，其他节点对该区块投票，可以正常达成共识。假如新 leader 为错误节点（或者新 leader 为正确节点，但在上一个视图中没有锁定该区块），那么如果发起一个不同的提案，可能使得其他节点锁定在这个区块，演变成了情况3；若没有使得其它节点锁定在不同区块，那么多次视图切换之后总能轮到锁定该区块的正确节点出块。

情况 3：假如错误节点配合投票，且存在大于等于 f+1 的正确节点锁定在同一区块，轮到这里面的其中一个节点出块时，是可能达成共识的，但要想办法把其他锁解开，否则后续可能无法共识。如何说服节点解锁？道理很简单，就是给他们证据让他们相信该高度已有另一个区块提交了，可以放心解锁。最直接的证据就是 QC。由此，我们引入另一个行为限制：

行为3：leader 发起新提案时，携带本节点最近提交的提案的 QC，其他节点收到 QC 时会解锁在该高度下锁定的区块，并提交该 QC 对应的提案，继续新提案的共识。

假如此时发生了视图切换，新 leader 没有该高度的最新 QC，那么无法解锁其他节点，共识无法进行，但多轮视图切换之后总能轮到携带了最新 QC 的节点出块。

如果错误节点不配合投票，或者不存在大于等于 f+1 的正确节点锁定在同一区块，无论由谁发起提案，都是不可能收集到足够投票的，并且由于该高度下还没有形成一个 QC，后续也无法形成一个 QC，所以无法解锁，无法达成共识，我们称这种现象为“死锁”，死锁使得系统失去了活性。

死锁问题

为了避免死锁，我们要保证当一个新锁产生时，旧锁一定有机会能被解开。QC 解锁机制明显不具备这个特性，因为新旧锁的同时存在可能使得 QC 永远无法生成。

那么，如果新锁能解锁旧锁不就好了？如果要做到新锁能安全解锁旧锁，那么必须具备这样的特性：若新锁能够产生，那么旧锁对应的区块一定没有被提交，这样才能安全地解锁，换句话说，如果旧锁对应的区块被提交了，那么不可能产生新锁。

我们目前的机制明显无法做到这一点，因为加锁的动作是在收到区块时进行的，即使一个区块已经被提交了，该高度下仍然可能有另一个区块被提出来（可能是错误节点，也可能是正确节点没有锁定或提交那个区块）。简而言之，就是加锁的条件太宽松，所以我们可以尝试增加加锁的条件。一个比较直接的办法就是，在加锁前增加一轮投票（我们称为准备消息），收集到 2f+1 个准备消息时（我们称这个 QC 为“锁定 QC”，简称“QC 锁”），再进行加锁，加锁之后再进行第二轮投票（我们称为提交消息），收集第二轮的 QC（对应我们上面一直讨论的 QC，为了跟锁定 QC 区分，我们称这个 QC 为提交 QC）。至此，我们的行为 1 和行为 2 升级为：

行为1'：节点收集到提交 QC 时，提交该提案，执行区块并存储，最后向客户端响应。
行为2'：在一个视图中，对于某个高度，正确节点只会对一个区块发送准备消息，而会忽略该高度下的其他区块提案；对于某个高度（不关注视图号），正确节点收到一个锁定 QC 时，会锁定该区块，并坚持对已锁定的区块进行提案或投票，而会忽略该高度下的其他区块提案。

有了这样的机制，我们再重新审视是否能够满足刚刚提到的那个特性。先看同一个视图的情况，根据行为 2' 和 QC 性质，节点不可能收到冲突的锁定 QC，所以不会锁定在互斥的区块，两个互斥的 QC 锁只可能出现在不同视图中，视图号越大，表示锁越新；对于不同视图的情况，如果旧锁对应的区块被提交了，根据行为 1'，已经有 2f+1 个节点有了旧锁；根据行为2'，不可能有 2f+1 个节点对该高度的另一个区块发送准备消息，所以不可能形成新锁。可见这个解锁机制满足以上特性。

另外，根据快速恢复机制，假如节点收到了一个比本地 QC 锁的高度更大的 QC 锁时，会快速同步落后的区块，并从该高度继续共识，所以从这个意义上看，高度更大的 QC 锁也可以“解锁”高度小的 QC 锁。因此，高度越大，锁越新；高度相同时，视图号越大，锁越新。

因此，行为 3 升级为：

行为3'：leader 基于最新锁定的区块发起新提案，并携带本节点最新的 QC 锁，其他节点收到 QC 锁时会解锁更旧的 QC 锁，并继续新提案的共识。

值得一提的是，假如最新锁定的区块已经提交，那么显然新提案是基于该区块出的一个新的区块，但是假如最新锁定的区块还未提交，那么 leader 可以选择继续使用该区块构造新提案，也可以选择基于该区块出一个新块，对于后者，需要增加一个设定：如果某个区块提交了，那么高度更低的区块也该提交。

2. 隐藏锁问题

使用以上的解锁机制，可以解决死锁问题。但是假如发生视图切换时，新 leader 没有最新 QC 锁，那么无法解锁其他节点，共识可能无法进行，并且，不像提交 QC，最新的 QC 锁是会动态变化的，也就是可能每次 leader 在视图切换之前都可能形成一个最新的 QC 锁，导致下一个 leader 的锁永远不是最新的，永远轮不到最新锁的节点出块，从而使系统失去活性。最新 QC 锁仿佛被“隐藏”了，所以这个问题被称为“隐藏锁”问题，具体例子可以阅读附录。

2.1 收集锁

在讨论如何解决隐藏锁问题之前，我们先回看一下上面分析的几种情况，会发现存在一个问题，很多情况可能需要等待多轮视图切换才能达成共识，这大大影响了共识效率。

我们等待的目的都是为了轮到一个拥有最新 QC 锁的正确节点。那么有没有可能，切换新 leader 时，想办法把最新 QC 锁发送给新 leader，新 leader 再从中选出一个最新的 QC 锁，这样就可以直接在一轮共识中完成。

新 leader 应该收集多少个节点的消息呢？同样的，由于错误节点可能会故意不发送消息，所以为了保证活性，leader 最多在收集到 2f+1 个消息时就该停止。这也导致了最新的 QC 锁不一定能被 leader 收到，隐藏锁问题仍然存在。

2.2 广播所有锁

如何解决隐藏锁问题呢？实际上，对于收集了 2f+1 个节点的最新 QC 锁的新 leader 来说，隐藏锁并不构成一个问题。回想一下，我们说如果新锁能够产生，那么旧锁对应的区块一定没有被提交，所以新锁可以安全地解锁旧锁。但是，其实新锁对应的区块也是可能没有被提交的，假如我们能找到新锁一定没被提交的证据，那么新锁也可以被安全地解锁。

如果某个节点本地的最新 QC 锁对应的提案已经被提交了，那么至少有 2f+1 个节点拥有该提案的相同 QC 锁，并且这 2f+1 个节点的最新 QC 锁要么等于该 QC 锁，要么为更大高度的 QC 锁，我们记这个集合为 C，根据 QC 性质，如果新 leader 收集 2f+1 个节点的最新 QC 锁，那么其中一定有一个正确节点在集合 C 中，所以一定能收集到已经提交的提案对应的 QC 锁或者更大高度的 QC 锁。也就是说，如果有一个节点拥有一个 QC 锁（不管视图号多大），但 leader 没有从任何节点收集到与之相同的 QC 锁或更大高度的 QC 锁，那么可以断定该 QC 锁对应的提案一定没有被提交，所以可以安全地解锁。于是，我们找到了另一个解锁的方法，leader 不一定非得获得最新的 QC 锁，只需要把这 2f+1 个 QC 锁作为证据广播给其他节点即可，其他节点根据上面提到的规则解锁，然后可以继续后面的共识，从而不存在隐藏锁问题。

值得一提的是，收集并广播 QC 锁的过程只需要在视图切换开始时执行一次，一旦完成了一次全体的解锁，在该视图中就不再需要关心此问题，因为在一个视图中不可能有节点锁定在不同区块。

2.3 引入固定时延

广播所有 QC 锁无疑增大了视图切换的消息复杂度，有没有其他办法呢？我们前面提到最新锁可能无法被 leader 收集，所以会导致部分节点无法解锁，我们尝试直面问题，有没有办法保证最新的锁能被 leader 收集到呢？这样 leader 只需要广播最新的 QC 锁，就能让所有正确节点解锁，并且这个操作同样只需要在视图切换时进行一次。

我们在最开始有一个同步假设，节点的最大时延是有固定上限的，所以如果新 leader 在收集 QC 锁时，等待一个固定时间，如果这个时间大于时延上限的话，那么一定能够收集到最新的 QC 锁；如果小于时延上限，那么本次可能无法达成共识，下次视图切换时增加这个时延上限，这样轮了多次之后，总能超过时延上限。

以上方法可以减少视图切换的消息复杂度，但由于引入了一个固定时延，一旦出现视图切换（错误节点为 leader 时，总有机会能触发视图切换），不管网络有多好，共识都要等待一个固定的时间，从而失去了响应性。

响应性：系统达成共识的时间只依赖于网络的实际时延，而不依赖于已知的最大时延。通俗来说就是说当系统处于异步网络时，共识慢一些甚至无法达成都没关系，但只要系统切换到同步网络，且当前 leader 为正确节点，不管错误节点做出什么行为，都能在实际的网络延时下达成共识，网络好就快一些，网络不好就慢一些，而不是不管网络好坏，共识都要等待预设的网络最大时延。

2.4 增加一个阶段

难道就没有两全的办法吗？能否不要通过等待固定时延来确保收集到最新的 QC 锁呢？实际上，上面“广播所有锁”利用到的 QC 原理同样可以应用在我们遇到的这个问题上，也就是，我们在准备阶段之前再加一轮投票，收集到的 QC 称为预备 QC，收集到预备 QC 时才可以广播准备消息，那么当收集到 QC 锁时，一定有 2f+1 个节点拥有对应的预备 QC。假设某个节点的最新 QC 锁为 A，那么一定有 2f+1 个节点拥有对应的预备 QC，且这些节点的最新预备 QC 一定不旧于该预备 QC，我们记这些节点构成集合 C，当 leader 收集 2f+1 个节点的最新预备 QC 时，其中一定有一个正确节点位于集合 C 中，所以一定能收到不比 QC 锁 A 旧的预备 QC。因此，最终收集到的最新预备 QC，一定不旧于任意节点的最新锁定 QC。同时，预备 QC 也具备 QC 锁的基本性质，所以我们可以使用预备 QC 来解锁 QC 锁。从而解决了隐藏锁问题。

2.5 方案总结

我们来总结一下我们最终的方案。

提案阶段：leader 使用已锁定但未提交的区块（若没有，则使用新区块）发起提案。

锁定阶段：节点收到 leader 的提案时，判断是否满足 a. 在该视图内没有对该高度的不同区块投过票，且 b. 没有锁定该高度下的另一个区块或提案携带的 QC 锁比本地的锁新（注意如果 QC 锁的高度远大于本地已知的高度时，节点会通过快速恢复机制补齐缺失的区块），若满足则广播对该提案的准备消息；节点收集到 2f+1 个准备消息（锁定 QC）之后，对该高度加锁，并广播提交消息。

提交阶段：节点收集到提交 QC 后，执行该区块并向客户端响应。

计时器：每次完成一个区块的提交、开始等待下一个区块时，设定一个超时时间，若在该时间内下一个区块没有完成提交，则触发视图的切换。

视图切换：上面提到的三种方式选择一种，若选用第三种，则需要在锁定阶段前加一个预备阶段，预备阶段逻辑与锁定阶段类似。

3. 现有算法对比

其实说到这里，我们基本上已经把我们即将介绍的几个共识算法——PBFT、Tendermint、Hotstuff——的核心思想讲完了。网上关于这些共识算法的描述有很多，本文并不打算对算法过程进行罗列，而只强调它们共同解决的问题、不同的解决办法、各自的优缺点。如果对算法细节感兴趣，建议阅读论文原文，特别是论文的证明部分。

正如我们上文讨论的，其实不管什么共识算法，无非就是要保证两个性质：安全性和活性。对于活性，则包含 leader 出错、死锁和典型的隐藏锁问题。

在安全性方面，这几个算法如出一辙，都是利用了我们上文提到的 QC 性质；对于 leader 出错，则都是使用了 leader 切换机制；对于死锁，基本上也都是通过增加一轮投票阶段来解决；但对于隐藏锁问题的解决却各有千秋，分别使用了我们上文提到的三个基本思想，下文我们会一一分析。

3.1 PBFT

对于 PBFT，我们经常会看到类似这样的一张图：

上面的三个阶段其实就对应我们上面提到的提案阶段、锁定阶段、提交阶段。

准备阶段收集的准备证书就对应我们的 QC 锁；提交阶段收集的提交证书就对应我们的提交 QC。

在隐藏锁问题的解决上，PBFT 选用的是 “广播所有锁” 的方法，所以视图切换过程如下：

所有节点广播 View-Change 消息，该消息包含本节点的准备证书，新 leader 收集到 2f+1 个 View-Change 消息之后，将所有 View-Change 消息打包进 New-View 消息并广播给其他节点。不同的是，节点发送的准备证书并不只是最新的，还包含了其他的较近的准备证书，这可以看成是“快速恢复机制”的一部分；同时， New-View 消息中也不仅包含准备证书，还包含基于这些准备证书发起的新提案，这是为了在解锁的同时，进行新提案的发起，推进未完成共识的区块更快完成。

PBFT 最常被诟病的就是视图切换复杂度高，N 个 New-View，每个 New-View 含 2f+1个 View-Change，每个 View-Change 含若干个准备证书，每个准备证书有 2f+1 个签名，所以消息复杂度为 O(n^3)。这也是后来其他共识算法想方设法要解决的问题。

3.2 Tendermint

Tendermint 最大的改进就是降低了视图切换的消息复杂度。

Tendermint 与 PBFT 具有非常相似的两阶段投票协议，文末总结部分也有各个共识算法的阶段名称对应，这里不再赘述。值得一提的是，如上图所示，进入新一轮的 Propose 之前，可能是 New Round，也可能是 New Height，后者仅在共识成功时出现。也就是说，当某个高度的区块共识成功时（图中蓝色箭头组成的循环），会进入新的高度，否则，会进入新的 Round，直到该高度共识成功。这里的 Round 其实就对应 PBFT 中的视图（View），共识超时触发切换 Round，更换 leader。不同之处在于 Tendermint 即使共识成功进入 New Height 也会更换 leader，但这对于保证活性不是必要的，更多是为了保证各个节点能够按照正确的权重轮流出块，以达到激励分配的公平性，同时有研究表明在区块链的环境下频繁更换 leader 有助于提高链的质量。后文将提到的 Hotstuff 也是每个区块都会更换 leader。

不过以上的区别无关痛痒，隐藏锁的解决机制才是我们要重点讨论的话题。实际上，Tendermint 使用了我们上文提到的“引入固定时延”的机制。

首先，它使用了一个 Gossip 协议，节点间会互相同步收集到的消息（提案、投票等），网络模型遵循部分同步假设。也就是说，如果某个正确节点发送/接收到了消息 A，那么在某个时间间隔 Δ 之后，所有正确节点都会收到消息 A。

在这个基础上，Precommit 阶段引入超时时间 timeoutPrecommit，在这个超时时间内，节点可以（通过 Gossip 协议）向其他节点同步最新的锁。可证明当 timeoutPrecommit 大于某个值时，可以保证最新的 QC 锁一定能在进入下一个 round 前发送给所有正确节点（严谨证明参见论文 Lemma 6），即下一个 round 的 leader 一定含有最大的 QC 锁。因为使用了 Gossip 协议，所以它进入 New Round 时表面上并没有额外的消息传输。另外，Propose 和 Prevote 阶段也含有超时时间，当这些超时满足一定要求时，可证明活性（参见论文 Lemma 5）。

3.3 Hotstuff

Hotstuff 的算法思想与 PBFT 和 Tendermint 是类似的，但使用了“增加一个阶段”的方式来解决隐藏锁问题。非流水线版本的 Hotstuff 共识流程如下图：

看起来感觉跟 PBFT 差别很大？实际上，如果我们把他画成下面全广播的网状形式，就好理解了：

这个图和 PBFT 很像，区别是图中红色框的部分。第二个框实际上就是为了解决隐藏锁问题而增加的阶段，而第一个框则是所有节点在视图切换时向主节点发送本地的最新 QC 锁（因为 Hotstuff 没有像 Tendermint 一样的 Gossip 机制）。其他阶段可以与 PBFT 一一对应进行理解。

Hotstuff 的一个改进点是使用了聚合签名，所有节点不直接广播已签名的投票消息，而是先将投票发送给 leader，再由 leader 将所有签名进行聚合之后，再广播给其他节点，这样可以减少验签时间，并且将网状通信变成了复杂度更低的星型通信。

将全广播的共识流程中的网状通信替换为星型通信，就有了一开始的那个共识流程图。

既然有非流水线版本，那就有流水线版本，这是 Hotstuff 的另一个重要改进。

由于每个投票阶段的消息非常类似，所以可以将他们的消息类型进行统一，并且不同提案的共识可以流水线化。具体来说，所有节点在 PREPARE 阶段收集足够的投票组成 genericQC，然后 genericQC 转发到下一个视图的 leader，新 leader 负责下一个 PRE-COMMIT 阶段。但新 leader 并不是真正地执行 PRE-COMMIT 阶段，而是重新进入一个新的 PREPARE 阶段，并提出新的提案。视图 v+1 的 PREPARE 阶段同时作为视图 v 的 PRE-COMMIT 阶段，视图 v+2 的 PREPARE 阶段同时作为视图 v+1 的 PRE-COMMIT 阶段和视图 v 的 COMMIT 阶段，以此类推。视图 v 的提案会在视图 v+4 的 PREPARE 阶段结束时提交。

因此，在 Hotstuff 的流水线的版本中，只有 NEW-VIEW 和 GENERIC 两种消息类型，前者包含上一个视图的 genericQC 和当前视图的提案，后者包含对当前视图提案的投票，足够的 GENERIC 消息进行聚合签名后组成 genericQC。

流水线化之后由于只有一种 QC，所以锁定和提交逻辑依赖于视图间的数量关系，有兴趣的话可以阅读原论文了解更多。

4. 总结

共识算法的正确性包含：安全性和活性。活性主要需要解决 leader 出错、死锁和隐藏锁问题。
QC 性质：任何两个 Quorum 至少有一个共同的正确节点。
安全性：加锁机制 + QC 性质。
leader 出错：是活性丢失的直接来源，使用视图切换解决该问题。
死锁：增加一轮投票 + 解锁机制。
隐藏锁：三种解决方法，广播所有锁、引入固定时延、增加一个阶段。
提及的三个共识算法对安全性、leader 出错、死锁的解决思想基本相同，对于隐藏锁则分别使用了以上三个方法。
Hotstuff 的其他改进：聚合签名减少消息复杂度；流水线化。
各个共识算法的联系和区别整理到了如下表格，可以对照着理解。

共识算法	PBFT	Tendermint	Hotstuff
提案阶段	Pre-prepare	Propose	Prepare
锁定阶段	Prepare	Prevote	Pre-Commit+Commit
提交阶段	Commit	Precommit+Commit	Decide
视图切换	View-Change	New Round	Next View
QC 锁	1 pre-prepare + 2f prepare	1 propose + 2f+1 prevote	lockedQC
隐藏锁解决机制	广播所有锁	引入固定时延+Gossip	增加一个阶段
视图切换复杂度	O(n^3)	O(n^2)	O(n)
响应性	有	无	有

5. 附录

5.1 情况分析

1.5 节的情况造成原因分别如下：

上一个视图的 leader 为正确节点，由于网络原因，部分节点还未收到提案；或者上一个视图的 leader 为错误节点，只给部分节点发送提案和投票。
同上。
上一个视图的 leader 为错误节点，给不同节点发送了不同提案；或者在情况 1 或 2 的前提下，新 leader 发送了新提案，使得其他节点锁定在其他区块。

5.2 隐藏锁问题

假设有 4 个节点，编号 0~3，节点 3 为错误节点。开始时，所有节点都没有锁。

view 0 时，节点 0 为 leader，发起一个提案，并收集到了 QC 锁，在本地锁定了该提案，记该锁为 v0。但由于网络原因，其他节点都没有收集到 v0，并且超时触发视图切换；
view 1 时，节点 1 为 leader，发起一个提案，由于此时节点 0 有最新的锁，所以节点 0 不会投票，假如错误节点不投票，那么是无法收集到足够投票的，假如此时错误节点在合适的时间点将投票只发给节点 1，使节点 1 锁定在 v1。
view 2 时，节点 2 为 leader，发起一个提案，此时节点 0 和节点 1 有更新的锁，所以他们不会投票，此时只剩下 2 个节点无法形成锁。
view 3 时，节点 3 为 leader，同上，无法形成锁。
view 4 时，节点 0 为 leader，发起一个提案，由于此时节点 1 有最新的锁，所以节点 1 不会投票，假如错误节点不投票，那么是无法收集到足够投票的，假如此时错误节点在合适的时间点将投票只发给节点 0，使节点 0 锁定在 v4。
view 5 时，节点 1 为 leader，发起一个提案，由于此时节点 0 有最新的锁，所以节点 0 不会投票，假如错误节点不投票，那么是无法收集到足够投票的，假如此时错误节点在合适的时间点将投票只发给节点 1，使节点 1 锁定在 v5。
view 6 时，节点 2 为 leader，发起一个提案，此时节点 0 和节点 1 有更新的锁，所以他们不会投票，此时只剩下 2 个节点无法形成锁。
view 7 时，节点 3 为 leader，同上，无法形成锁。
view 8 时，又回到步骤 5，节点 0 锁定在 v8，如此循环，永远无法达成共识。

参考文献

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原始发表：2022-10-20，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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