2. 共识机制

本章节主要介绍PoD机制的共识机制部分,具体如下:

共识机制使用智能合约自动管理,主要由节点选取规则和共识算法两部分组成,联合完成出块,保障主网正常运行。

星云链平均出块时间为15秒。设定每个轮询周期内,21个共识节点轮番出块,每个节点出块10个。故一个轮询周期默认为210个区块高度,约为52.5分钟。每个轮询周期内的共识机制执行流程如下图所示:

图2.1 每个轮询周期的共识机制执行流程

图2.1 每个轮询周期的共识机制执行流程

2.1 节点入选基础条件

任何个人或组织均可申请成为节点,必须满足以下所有要求才有资格参与候选节点选取:

  • 服务器满足基本要求(参见附录A 推荐硬件配置);
  • 服务器保证运行中;
  • 质押(即投票)不小于10万NAX;
  • 保证金质押2万NAS;
  • 没有高安全等级作恶记录(参见2.5.1 惩罚

2.2 节点选取规则

节点选取规则包括两个步骤:

  1. 候选节点选取: 在每个轮询周期内,在满足基本入选要求的所有节点中,按候选节点综合排名算法,选出51个候选节点;
  2. 共识节点选取: 在每个轮询周期内,按共识节点选取算法,在稳定且最能代表用户权益的一组候选节点中选出21个共识节点。共识节点负责出块,可以获得共识机制激励。

候选节点和共识节点共同构成共识委员会。选取流程如下图所示:

图2.2 节点选取流程

图2.2 节点选取流程

2.2.1 候选节点综合排名算法

在满足申请节点基本要求(2.1 节点入选基础条件)的前提下,将所有节点按候选节点综合排名算法进行排名,靠前的51个节点为候选节点。候选节点综合排名算法参考两个因素:NAX投票数V(i)和出块稳定指数S(i)。候选节点综合排名指数R(i)为:

R(i) = V(i) × S(i)

假设S(i)相同,NAX投票数V(i)也相同,则最先达到NAX投票数V(i)的节点入选。

2.2.1.1 NAX投票数

NAX投票数V(i):所有社区成员和节点负责人都可以向支持的节点投出NAX,助力该节点提升排名。

2.2.1.2 出块稳定指数

出块稳定指数S(i):由共识节点成功出块的比率决定。未出过块的节点初始值S为0.8。在每个轮询周期内,一个候选节点有未参与出块、成功出块、漏出块三种情况。

A 未参与出块

未参与出块的候选节点下一周期的S(i+1)为:

S(i+1) = S(i) + 0.01

如果该节点持续未参与出块,S(i)最高恢复到初始值S=0.8。

B 成功出块

共识节点在一个轮询周期内需要出块10个。如果10个块全部出了则下一周期的S(i+1)为:

S(i+1) = S(i) + 0.1 (S <= 1)

S(i)逐步提升到1。一般情况下,稳定出块的节点S(i) = 1。

C 漏出块

如果该共识节点发生漏出块的情况,则下一周期的S(i+1)为:

S(i+1) = S(i) × (10 - C) / 10

其中,C为漏出块个数。C越大,S(i)值约低。如果S(i)降至阈值K(K初始值为0.5),则该共识节点在未来20个轮询周期中都不能入选候选节点,详见2.5.1 惩罚

2.2.2 共识节点选取算法

共识节点从51个候选节点中选出。从候选节点中选取共识节点的具体方式如下:

  1. 排名前6的候选节点直接入选。
  2. 剩余15个共识节点的名额按如下公式从排名第7到第51名的候选节点中选取:
RConsensus = (R(i) / Sum(R)) × Random()

各参数说明如下:

RConsensus: 共识节点排名指数。

R(i) 候选节点综合排名指数。R(i)已经综合了两个因素:NAX投票数V(i)和出块稳定指数S(i),故可以认为R(i)同时考虑了节点的社区支持度和历史出块贡献。

Sum(R): 51个候选节点的综合排名指数总和。R(i)/Sum(R)可以看作是该节点的贡献度在所有51个候选节点中的占比。

Random(): 随机概率。

2.3 共识算法

共识算法基于DPoS共识机制,通过共识委员会共识节点调度生产下一个轮询周期的区块。21个共识节点轮流出块。在一个轮询周期结束后,切换到下一个轮询周期的共识节点,轮流出块。

区块确认使用BFT[1]共识保证区块上链的一致性,以实现PoD的稳定性、公平性和安全性。

2.3.1 出块顺序

一个轮询周期内的出块顺序由21个共识节点经过VRF[2]随机排序。在每个轮询周期内,负责出块的共识节点和顺序始终保持不变。

2.3.2 打包出块

共识节点在出块时会打包交易缓存池中的交易。具体方式如下:

  1. 共识节点严格按照该轮询周期内的出块顺序和时间打包出块;
  2. 在打包时间内尽可能多的打包未上链交易;
  3. 优先打包GasPrice高的交易;
  4. 不可上链的交易在执行失败后会被丢掉。

2.3.3 区块上链确认

共识节点的区块上链确认保证了链的一致性和安全性,并对作恶节点进行惩罚。区块上链遵循如下规则:

  1. 优先选取最长子链作为最优链;
  2. 在长度一致的子链中按哈希排序选择最优链;
  3. 最后不可逆区块使用BFT共识需要⅔+1的共识节点确认;
  4. 对非出块时间出块,双花等攻击采取惩罚机制(参见2.5.1 惩罚)。

2.4 退出机制

PoD的投票是公平的自由博弈场景。所有社区成员都可以随时申请撤销NAX投票或退出节点选取。

2.4.1 撤销投票

所有社区成员或组织,可以随时发起撤销投票的申请。当撤销投票申请成功提出后,该节点的NAX投票数(2.2.1.1 NAX投票数,V(i))即刻下调,即时影响下一轮询周期该节点排名。按照2.1 节点入选基础条件,如果NAX投票数低于10万NAX,该节点无法入选候选节点。

所撤销投票的额度: 可以任意设置。但所有社区成员或组织只能申请撤销自己投出的NAX。

NAX返还时间: 撤销投票申请成功提交后120个轮询周期(约为5天)后返还NAX至原地址。

2.4.2 节点退出

所有节点都可以随时退出。一旦选择退出,该节点将即刻失去成为下一周期候选节点的资格。

保证金返还额度: 一次性全额返还,不可选择额度。

保证金返还时间: 节点退出申请成功提交后820个轮询周期(约为1个月)后返还NAS至原地址。

NAX返还时间: 节点退出申请成功提交后120个轮询周期(约为5天)后返还所有参与者的NAX至原地址。

2.5 惩罚和应急响应

2.5.1 惩罚

2.5.1.1 出块惩罚

为了维护PoD系统的安全性,根据情节严重情况进行相应的惩罚,增加节点作恶成本。三种针对共识节点的出块惩罚如下:

安全等级 危害 举例 惩罚
选取限制 惩罚金
造成系统不流畅 发生漏出块等间断性不参与共识的情况 出块稳定指数S(i)2.2.1.2)下降,当降至0.5以下则20个轮询周期内(约为1天)不得入选候选节点 不冻结
造成系统不稳定 一个周期内一个块也没出 20个轮询周期内(约为1天)不得入选候选节点 冻结5%保证金
威胁系统安全 同一高度出多个块或在不应出块的时候出块、女巫攻击等 永久冻结 冻结全额保证金和该节点所有NAX(含用户所投)

表2.1:共识机制安全等级表

中、高安全等级惩罚处理流程:

  1. 当发生安全问题时,选取限制自动执行,并冻结相应惩罚金。
  2. 在最近一个治理周期投票阶段,由治理委员会投票判定该节点惩罚是否成立。
    1. 如果投票通过该共识节点危害PoD系统安全性的行为属实,则对该节点的惩罚有效,选取限制继续执行,冻结中的惩罚金捐赠给Go.nebulas社区协作基金(参见3.2.2 社区资产)。
    2. 如果投票不通过,该节点未对系统安全性造成危害,则选取限制终止,出块稳定指数S(i)恢复为惩罚前的数值,已被冻结的惩罚金解冻。

具体参见3.2 治理范围的3.2.3 共识机制惩罚3.3.3 投票结果处理

2.5.1.2 治理惩罚

除了出块惩罚,当出块节点当选治理节点后,如果在连续2个治理周期内没有完成治理任务,则820个轮询周期内(约一个月)不能入选候选节点。详情参见3.4.1 单个治理节点惩罚

2.5.2 应急响应

如果发生黑客攻击主网等突发事件,为了保证主网可以快速相应,降低危害,星云基金会预留应急合约管理方法,星云基金会可以即刻将有问题的地址加入黑名单,禁止该地址转账。

整个流程公开透明。紧急处理后星云基金会应回溯事件过程和处理方式,接受社区监督。


[1] BFT(Byzantine Fault Tolerance)即拜占庭容错: 是分布式计算领域的容错技术,拜占庭容错来源于拜占庭将军问题。拜占庭将军问题是对现实世界的模型化,由于硬件错误、网络拥塞或中断以及遭到恶意等原因,计算机和网络可能出现不可预料的行为。拜占庭容错技术被设计用来处理现实存在的异常行为,并满足所要解决的问题的规范要求。

[2] VRF(Verifiable Random Function)可验证随机函数: 是一种将输入映射为可验证的伪随机输出的加密方案。该方案是由Micali(Algorand的创建者)、Rabin以及Vadhan于1999年提出的。至今VRF已广泛应用于各种加密场景、协议和系统中。