1.2.3　Tendermint Core

構(gòu)建互聯(lián)互通的Cosmos網(wǎng)絡(luò)的藍(lán)圖令人興奮，但切實(shí)構(gòu)建區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)需要直面區(qū)塊鏈開發(fā)中的諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。為了催生更多的應(yīng)用專屬區(qū)塊鏈系統(tǒng)，需要消除區(qū)塊鏈領(lǐng)域的創(chuàng)新障礙。針對這一問題，Tendermint團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了以Tendermint Core和Cosmos-SDK為核心的區(qū)塊鏈開發(fā)框架。Cosmos Hub網(wǎng)絡(luò)的客戶端Gaia便是基于Tendermint Core和Cosmos-SDK構(gòu)建的。Cosmos Hub主網(wǎng)上線以來的平穩(wěn)運(yùn)行，展示了Tendermint Core和Cosmos-SDK的可靠性。

Tendermint團(tuán)隊(duì)將區(qū)塊鏈系統(tǒng)自下而上拆解為3層：對等網(wǎng)絡(luò)通信層、共識協(xié)議層以及上層應(yīng)用層。區(qū)塊鏈系統(tǒng)的3層結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。Tendermint Core中提供了對等網(wǎng)絡(luò)通信層與共識協(xié)議層的實(shí)現(xiàn)，并抽象出區(qū)塊鏈應(yīng)用接口（application blockchain interface，ABCI）來完成共識協(xié)議層與上層應(yīng)用層的互動。

圖1-3　區(qū)塊鏈系統(tǒng)的3層結(jié)構(gòu)

• 對等網(wǎng)絡(luò)通信層：對等網(wǎng)絡(luò)通信，確保交易、區(qū)塊、共識協(xié)議的消息能夠快速地在整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)廣播。
• 共識協(xié)議層：構(gòu)建新的區(qū)塊，并通過共識協(xié)議確保全網(wǎng)就區(qū)塊內(nèi)容（交易、上層應(yīng)用狀態(tài)等）達(dá)成共識。
• 上層應(yīng)用層：根據(jù)共識協(xié)議層構(gòu)建的區(qū)塊，通過ABCI與上層應(yīng)用交互，執(zhí)行區(qū)塊中的交易并完成上層應(yīng)用的狀態(tài)更新。

在這種分層結(jié)構(gòu)中，共識協(xié)議層不關(guān)心交易的具體內(nèi)容，而將所有的交易看作簡單的字節(jié)切片。共識協(xié)議完成的主要任務(wù)，是在全網(wǎng)就交易的順序達(dá)成共識。與以太坊類似，Tendermint Core要求上層應(yīng)用狀態(tài)更新是確定性的過程，即從相同初始狀態(tài)開始，按照相同順序處理交易之后，上層應(yīng)用的狀態(tài)在全網(wǎng)之間應(yīng)保持一致。為了確保這種狀態(tài)更新的一致性，共識協(xié)議層在利用區(qū)塊就交易順序達(dá)成共識之外，也會在區(qū)塊中包含上層應(yīng)用狀態(tài)的“數(shù)字指紋”，確保在每個區(qū)塊開始執(zhí)行之前，全網(wǎng)對上層應(yīng)用狀態(tài)也達(dá)成了共識。

前文提到過，PoW 機(jī)制與中本聰共識協(xié)議帶來的大量資源消耗以及效率低下等問題被廣為詬病。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的演進(jìn)，PoS機(jī)制與BFT共識協(xié)議的組合成為應(yīng)對該問題的“良方”。然而PBFT共識協(xié)議存在通信復(fù)雜度大的問題，這導(dǎo)致其無法妥善處理區(qū)塊鏈這種大規(guī)模分布式系統(tǒng)的情形。Tendermint團(tuán)隊(duì)在工程創(chuàng)新之外，也就該問題進(jìn)行了理論創(chuàng)新：通過改進(jìn)PBFT共識協(xié)議，構(gòu)造了適用于區(qū)塊鏈場景的Tendermint共識協(xié)議。基于BFT的Tendermint共識協(xié)議，在支撐幾百個共識節(jié)點(diǎn)的情況下，依然可以實(shí)現(xiàn)秒級出塊的速度。Tendermint共識協(xié)議逐塊最終化（finality）的特性，既保證了區(qū)塊鏈不會發(fā)生比特幣或者以太坊中的重組事件，也實(shí)現(xiàn)了交易的秒級確認(rèn)。

Jae Kwon在2014年開始Tendermint共識協(xié)議的研發(fā)，2015年Ethan Buchman參與進(jìn)來一同進(jìn)行相關(guān)協(xié)議和軟件的開發(fā)，并最終構(gòu)建了Tendermint Core的原型系統(tǒng)。BFT共識協(xié)議通常要求在執(zhí)行一輪共識協(xié)議之前，要先確定協(xié)議的參與者（后文稱之為驗(yàn)證者），Tendermint共識協(xié)議也不例外。但Tendermint Core并沒有硬編碼選擇驗(yàn)證者的規(guī)則，而是通過適當(dāng)?shù)臋C(jī)制設(shè)計以及ABCI，為上層應(yīng)用保留了更新驗(yàn)證者集合的權(quán)利。

Tendermint共識協(xié)議在每一輪共識協(xié)議執(zhí)行開始前，都會有一個驗(yàn)證者成為新區(qū)塊提案者（proposer），提案者通過打包交易構(gòu)建新的區(qū)塊，并通過對等網(wǎng)絡(luò)將區(qū)塊廣播到全網(wǎng)。所有驗(yàn)證者根據(jù)收到的信息和自身狀態(tài)就區(qū)塊內(nèi)容進(jìn)行兩階段投票：預(yù)投票（prevote）和預(yù)提交（precommit）。Tendermint共識協(xié)議執(zhí)行過程。投票可以投給新構(gòu)造的區(qū)塊，表示驗(yàn)證者認(rèn)同該區(qū)塊內(nèi)容；也可以投給空值，表示驗(yàn)證者因?yàn)槟撤N原因無法認(rèn)同該區(qū)塊的內(nèi)容。對區(qū)塊足夠多的預(yù)投票（超過2/3），可以促使驗(yàn)證者進(jìn)入下一階段的投票過程；而針對區(qū)塊足夠多（超過2/3）的預(yù)提交，可以促使所有節(jié)點(diǎn)提交（commit）該區(qū)塊。區(qū)塊被提交之后，Tendermint Core的共識協(xié)議層通過ABCI與上層應(yīng)用互動，完成區(qū)塊內(nèi)交易的處理，執(zhí)行結(jié)果也通過ABCI返回給共識協(xié)議層。

為了支持上層應(yīng)用的深度定制，Tendermint Core將共識協(xié)議層與上層應(yīng)用的互動通過ABCI進(jìn)行了抽象。通過將區(qū)塊的執(zhí)行過程合理劃分為多個步驟，上層應(yīng)用甚至可以定制篩選驗(yàn)證者的邏輯，賦予了應(yīng)用專屬區(qū)塊鏈系統(tǒng)完全的自主權(quán)。基于ABCI開發(fā)上層應(yīng)用，應(yīng)用只需要實(shí)現(xiàn)特定的接口，就可以復(fù)用Tendermint Core提供的Tendermint共識協(xié)議以及對等網(wǎng)絡(luò)通信。通過這種方式，應(yīng)用開發(fā)者可以專注于上層應(yīng)用的開發(fā)，由此應(yīng)用專屬區(qū)塊鏈系統(tǒng)的開發(fā)周期從通常的幾年縮短為幾個月。