Overlord將會成為下一代通用的共識解決方案

Overlord 是由 Nervos 開發(fā)團(tuán)隊最新研發(fā)的原創(chuàng)共識算法，這一共識算法的出現(xiàn)是基于 Huobi Chain 的金融應(yīng)用場景需求。

為什么要單獨(dú)設(shè)計出一種新的共識算法？它相比于現(xiàn)有的主流的 BFT 共識算法（PBFT、Tendermint、Hotstuff……）有什么不同？下面，就讓我們和 Muta 團(tuán)隊的周昀一起來了解一下 Overlord 的設(shè)計思路與設(shè)計特點(diǎn)。

當(dāng)前我們正處在一個信息大爆炸的時代，在無時不刻不被過量信息包圍的處境下，想要客觀準(zhǔn)確地探究未知事物的本質(zhì)，變得異常艱難。然而我們始終堅信，卓越的產(chǎn)品源于開創(chuàng)性思維，亦步亦趨必然逃不出自己鑄就的天花板，因此我們決定屏蔽一切現(xiàn)有成熟的方案套路，從最原始的需求出發(fā)，一磚一瓦地實現(xiàn)我們的愿景。

確定共識算法的目標(biāo)

最初在為 Huobi Chain 設(shè)計共識算法的時候，我們并沒有立馬著手于技術(shù)選型，而是先直面靈魂三問：Huobi Chain 的服務(wù)對象是誰？需要解決什么問題？能夠創(chuàng)造什么社會價值？在此期間，我們積極汲取了金融、管理等領(lǐng)域?qū)I(yè)人士的建議，密切跟蹤市場的真實需求，仔細(xì)聆聽社區(qū)的反饋，經(jīng)過與數(shù)個團(tuán)隊無數(shù)次縝密的意見交流之后，終于在 2019 年 6 月，取得了階段性的結(jié)論。

鑒于當(dāng)前金融市場和區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用相對割裂的現(xiàn)狀，Huobi Chain 的定位是：基于區(qū)塊鏈的，高效的，全球性的金融市場基礎(chǔ)設(shè)施。「高效」對應(yīng)高速迸發(fā)的鏈上交易；「全球化」對應(yīng)底層鏈友好的兼容性和高度可擴(kuò)展性；「基礎(chǔ)設(shè)施」則意味著鏈上應(yīng)用開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化、精簡化，并能夠在未來形成豐富的開發(fā)者生態(tài)。只是這樣簡簡單單的一句話，卻向底層鏈提出了明確的硬性指標(biāo)。

共識是一條鏈的心臟，心臟必須高效健壯，鏈上應(yīng)用才能蓬勃有力。為了實現(xiàn)火幣公鏈的目標(biāo)，我們需要一個能夠支持上百個共識節(jié)點(diǎn)、滿足數(shù)千筆每秒的交易處理能力，且交易延遲不超過數(shù)秒的 BFT 共識算法。

現(xiàn)行主流共識算法調(diào)研

我們調(diào)研了市場上所有主流的 BFT 共識算法：PBFT、Tendermint、Hotstuff……遺憾的是，這些共識算法均無法滿足我們的需求。

PBFT 作為最早出現(xiàn)的實用性拜占庭容錯共識算法，最大的問題是 ViewChange 時，導(dǎo)致 O（n^3） 的過高消息復(fù)雜度。

Tendermint 是 2017 年提出的共識算法，其核心采用了「鎖定—解鎖」機(jī)制，簡化了 Leader 切換過程。但是該算法卻損失了響應(yīng)性（Responsiveness），這意味著即使處于極佳的網(wǎng)絡(luò)條件下，仍需面臨固定的出塊時間。另一方面該算法 Viewchange 雖然有所精簡，復(fù)雜度降低至 O（n^2），但依舊無法滿足我們對較高共識效率的需求。

Hotstuff 于 2019 年通過 Libra 走進(jìn)大眾視野，在消息復(fù)雜度和提升響應(yīng)性上做了很多改進(jìn)，但是交易的確認(rèn)至少需要 3 個區(qū)塊，這一限制在特定環(huán)境下，將無法滿足某些特定業(yè)務(wù)和場景的需求。

面臨困局，我們決定迎難而上，打造一套全新的共識算法，于是就有了 Overlord。該算法已經(jīng)完成了第一階段的設(shè)計研發(fā)，初步的工程實現(xiàn)已在 GitHub 上開源，目前實測已經(jīng)能夠支持上百個共識節(jié)點(diǎn)，滿足數(shù)千筆每秒的交易處理能力，而且交易延遲不超過數(shù)秒，交易上鏈即不可回滾。那么 Overlord 是如何能夠滿足這些需求的？

Overlord 的創(chuàng)新之處

引入聚合簽名機(jī)制，降低消息復(fù)雜度

首先，Overlord 引入了聚合簽名機(jī)制，每一輪的共識投票消息，由各個共識節(jié)點(diǎn)發(fā)送給 Leader，并由 Leader 簽名后將零散的消息聚合為一，再廣播給其他節(jié)點(diǎn)。這一設(shè)定將消息復(fù)雜度從 O（n^2） 降低至 O（n），進(jìn)而可以支持?jǐn)?shù)百個共識節(jié)點(diǎn)。

采用「超時+剎車」機(jī)制，解決 Leader 作惡，加速共識進(jìn)程，降低工程實現(xiàn)難度

與此同時，Overlord 采用了「超時+剎車」的機(jī)制來解決 Leader 作惡的問題，顯著加速了共識進(jìn)程，同時降低了工程實現(xiàn)難度。同時，由于消息的數(shù)量大幅下降，消息共識（投票等）所占帶寬的比例也有了一定的下降，這進(jìn)一步提升了共識效率。

并行處理出塊和投票，出塊更快、交易處理能力更高

另一方面，Overlord 實現(xiàn)了并行處理出塊和投票。這意味著區(qū)塊校驗（包括共識交易的同步）與第一輪投票過程可以并行進(jìn)行，這相比與其他共識算法出塊更快、交易處理能力更高。

解耦狀態(tài)定序與交易共識，使區(qū)塊的共識過程和執(zhí)行過程可以并行

Overlord 最重要的一個創(chuàng)新點(diǎn)，也是這個算法最核心的思想，在于解耦了狀態(tài)定序與交易共識，從而使得區(qū)塊的共識過程和執(zhí)行過程可以并行。相比于 Tendermint 等待執(zhí)行結(jié)果后再進(jìn)行下一次共識，Overlord 的共識效率有了跨越式提升，因為帶寬的空閑等待明顯降低。而且在這種設(shè)定下，區(qū)塊上鏈即確認(rèn)，交易不可回滾。這將極大的適用于有著大量交易或者復(fù)雜合約的金融業(yè)務(wù)場景。

我們十分堅信，Overlord 將成為下一代通用的共識解決方案。

有趣的命名故事

說起 Overlord 的命名，它其實和我們的 Layer 2 解決方案 Muta 一脈相承（暴雪粉應(yīng)該不需要小編多說什么了）。

在這款游戲中， Overlord 是為蟲族提供人口的基本單位，可以控制若干蟲群，這和我們理解的共識的本質(zhì)很像。共識也是一條鏈的核心，控制著各個節(jié)點(diǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)，如果把節(jié)點(diǎn)想象成蟲群的話，Overlord 則是蟲群的大腦。相信在 Overlord 的帶領(lǐng)下，我們也能建立起龐大的分布式區(qū)塊鏈系統(tǒng)。