长安链ChainMaker TBFT共识源代码解析

文章内容源自“长安链ChainMaker”官方微信公众号

作者为长安链核心开发工程师史金乾

编者语：

长安链ChainMaker（以下简称“ChainMaker”）目前实现了很多种共识算法，比如SOLO、RAFT、TBFT、HOTSTUFF等，TBFT共识算法是ChainMaker实际应用中常见的共识算法。TBFT共识算法是一种拜占庭容错算法，可以在拜占庭节点数小于总数1/3的情况下，保证系统的安全运行，本文主要对ChainMaker TBFT共识源代码进行解析。

TBFT基于Tendermint算法，与PBFT的最大区别在于：PBFT有一个固定的leader节点打包交易，当leader节点故障的时候会使用view-change子协议更换leader；而在TBFT中，leader是轮换的，每提交n个块（可以配置）leader会轮换成下一个节点。因此，TBFT比PBFT有更好的公平性。

ChainMaker TBFT共识流程

1.1 TBFT 节点之间的共识流程

1. NewRound: 共识投票的准备阶段，会初始化共识相关状态；
2. Proposal: 提案阶段，leader节点会打包区块，并广播给follwer节点；
3. Prevote: 预投票阶段，follower节点在收到proposal并验证proposal合法后，广播自己的prevote投票到其他节点；
4. Precommit: 预提交阶段，节点收到 >2/3 针对proposal的prevote投票后，广播自己的precommit投票到其他节点；
5. Commit: 提交阶段，节点收到 >2/3 针对proposal的precommit投票后，提交proposal中的区块到账本。

1.2 TBFT 节点自己的共识阶段

TBFT共识网络启动后，共识节点本地的各个共识阶段如下：

TBFT共识代码解析

2.1 TBFT源代码目录

1. TBFT共识模块的源代码目录为：module/consensus/tbft；
2. TBFT的核心代码文件：module/consensus/tbft/consensus_tbft_impl.go；
3. 本文分析的ChainMaker源代码分支为v1.1.1。

2.2 TBFT共识流程代码解析

开始阶段

Start方法对应TBFT共识流程中的开始阶段，它是TBFT共识的启动函数，主要实现了：

1. 注册Msgbus与TBFT共识相关的topic，为TBFT共识后续通过Msgbus传输消息做准备。Msgbus类似消息中间件mq，实现了消息发送方和消息接收方之间的解耦；
2. 如果共识节点重启，就需要从wal日志中恢复TBFT共识宕机时的共识状态；
3. timeScheduler用来设置proposal阶段超时重新选主节点的逻辑；
4. gossip主要用来在共识节点之间传输网络消息的，同步共识状态、投票消息；
5. handle方法用来处理TBFT共识中涉及到Channel的共识消息。

NewHeight阶段

enterNewHeight方法对应TBFT共识流程中的NewHeight阶段，这是进入新区块高度的起始阶段。NewHeight阶段会设置新区块高度，重置Round为0，添加、移除验证者，然后进入NewRound阶段，开启一轮对新区块的验证、投票、提交。

NewRound阶段

enterNewRound方法对应TBFT共识流程中的NewRound阶段 ，进入新一轮Round，需要重新初始化相关的共识状态，将Proposal、VerifingProposal重置为空，设置NewRound阶段的意义：共识节点在投票阶段有可能会超时，超时未对新区块达成一致投票，那么就进入下一轮投票round+1，直到对新区块投票达成一致。

Proposal阶段

enterPropose方法对应TBFT共识流程中的Proposal阶段，Proposal超时后，会重新选举主节点，如果没有超时，主节点会通过msgbus发送消息给核心引擎，核心引擎负责打包区块，然后返给主节点，所有共识节点都会广播共识状态，告诉其他共识节点，自己进入了新的块高。

Prevote阶段

enterPrevote方法对应TBFT共识流程中的Prevote阶段，共识节点在Prevote阶段，首先会生成区块的prevote投票并签名，然后把投票放到internalMsgC通道中，最后广播给其他共识节点。

Precommit阶段

enterPrecommit方法对应TBFT共识流程中的Precommit阶段，共识节点在Precommit阶段，首先会验证prevote投票是否大于2/3，如果满足，会生成对区块的precommit投票并签名，然后将投票放到internalMsgC通道中，最后广播给其他共识节点。

Commit阶段

enterCommit方法对应TBFT共识流程中的Commit阶段，共识节点在Commit阶段，首先会验证precommit投票是否大于2/3，如果满足，共识节点把区块发给核心引擎，核心引擎负责把区块提交到账本中。

TBFT共识模块与核心引擎模块的交互

3.1 共识与核心引擎的交互流程

TBFT共识模块和核心引擎模块是通过Msgbus互相传递消息的，核心引擎模块为TBFT共识模块提供区块打包、区块验证、提交区块到账本的功能。

3.1.1 ProposaState，Proposal是主节点专有的共识阶段

• ProposaState: TBFT发送给核心引擎本节点在当前高度是否是leader节点，核心引擎如果是leader节点，需要打包区块；
• Proposal: 核心引擎打包区块并发送给TBFT。

3.1.2 Verify和VerifyResult是从节点专有的共识阶段

• Verify: 当从节点收到主节点发来的区块后，向核心引擎验证区块读写集等信息；
• VerifyResult: 核心引擎返回给TBFT Verify的结果，当区块合法时，本节点将会投票给区块。

3.1.3 主节点和从节点都包含Commit和BlockInfo阶段

• Commit: TBFT完成共识后，向核心引擎发送提交区块的信号，核心引擎提交区块到账本；
• BlockInfo: 核心引擎告知TBFT已提交区块的高度等信息，TBFT进入下一个高度。

3.2 共识与核心引擎交互代码解析

OnMessage方法对应接受核心引擎发给Msgbus的消息，包括Proposal、VerifyResult、BlockInfo，然后Msgbus把消息放到各个相应channel中等待被处理。

handle方法处理OnMessage方法放到各个channel中的消息。

共识节点之间的交互

以发送prevote投票为例，共识节点之间传输共识消息的流程图如下：

节点通过Msgbus，调用publishToMsgbus函数，向其他节点发送消息。

4.1 共识节点发送共识消息给其他共识节点

4.1.1 节点主动发送消息给其他节点。

4.1.1.1 进入Propose阶段，需要向其他节点同步自己进入到新的块高了。

4.1.1.2 如果收到自己的投票就直接触发，即节点自己主动把自己的投票信息添加到投票集合发送给其他节点。

4.1.2 节点被动发送共识消息

如果节点收到其他节点发送给自己的共识状态消息，会将消息响应相应的节点，证明自己收到了该消息。

4.1.3 节点发送共识消息的判断

以节点发送Prevote投票为例，如果收到节点的投票集合中不包括自己的投票，那么就发送自己的投票。

4.2 共识节点接受其他共识节点发送的共识消息

共识节点之间传输的共识消息主要有4种类型：propose，provote，precommit，state，然后分别进行处理。

总结

本文主要对TBFT共识的整体流程以及涉及到的关键代码进行了整理和解析，代码解析主要包括3个部分，TBFT共识的各个阶段、共识模块与核心引擎模块的交互、共识节点之间的交互，同时通过TBFT相关的共识流程图更加直观的展示了TBFT共识过程。TBFT共识算法涉及多个阶段、多个节点，不同模块之间的交互，相对比较复杂，需要在掌握TBFT的基本概念、实现原理、整体流程的基础后，再深入到TBFT代码层面，进行详细研究。

关于长安链开源社区

“长安链ChainMaker”是国内首个自主可控区块链软硬件技术体系，由微芯研究院、清华、北航、腾讯和百度等机构共同研发，具有自主可控、灵活装配、性能领先、开源开放的突出特点。长安链面向大规模节点组网、高交易处理性能、强数据安全隐私等下一代区块链技术需求，融合区块链专用加速芯片硬件和可装配底层软件平台，为构建高性能、高可信、高安全的数字基础设施提供新的解决方案，为长安链生态联盟提供强有力的区块链技术支撑。取名“长安链”，喻意“长治久安、再创辉煌、链接世界”。

开发者可登录长安链开源社区网站

https://www.chainmaker.org.cn/下载源代码