1. 摘要

Tendermint是跨鏈Cosmos項(xiàng)目的核心技術(shù)。本文主要介紹以下內(nèi)容：
（1）Tendermint的網(wǎng)絡(luò)層級(jí)框架圖
（2）Tendermint模塊組成及共識(shí)算法原理
（3）Tendermint工作流程

2. Tendermint概述

Cosmos的開發(fā)團(tuán)隊(duì)Tendermint其實(shí)早在2014年就開始意識(shí)到了其不足择吊，并持續(xù)專注于尋求不依賴挖礦等高電力消耗的共識(shí)機(jī)制挣棕，提供快速的交易處理能力，它們的目標(biāo)是為全事件所有的區(qū)塊鏈提供速度韭邓、安全和可擴(kuò)展性橱健。目前斯撮，Tendermint加入了微軟Azure區(qū)塊鏈即服務(wù)平臺(tái)批幌，也成為了以太坊區(qū)塊鏈聯(lián)盟成員之一础锐，同時(shí)Tendermint也是跨鏈技術(shù)Cosmos的核心技術(shù)。兩者大致的關(guān)系如下：

圖中可以輕松看出Cosmos就是在Tendermint基礎(chǔ)上添加一些插件功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的荧缘。

2.1 Tendermint的概念

Tendermint的概念總結(jié)下有以下幾點(diǎn)：
（1）Tendermint是一個(gè)能夠在不同機(jī)器上皆警，安全一致復(fù)制應(yīng)用的軟件，其中安全性和一致性也是分布式賬本的關(guān)鍵概念截粗。
（2）Tendermint具備拜占庭容錯(cuò)能力耀怜，是一種拜占庭容錯(cuò)共識(shí)算法恢着。
（3）Tendermint主要有兩部分組成：
1）Tendermint Core：區(qū)塊鏈共識(shí)引擎，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸以及拜占庭共識(shí)财破。
2）ABCI：區(qū)塊鏈應(yīng)用程序接口(the Application BlockChain Interface )，也是一個(gè)協(xié)議从诲，支持任何語(yǔ)言的交易處理實(shí)現(xiàn)左痢。
總體來(lái)講，Tendermint可以理解為一個(gè)模塊化的區(qū)塊鏈軟件框架系洛，支持開發(fā)者個(gè)性化定制自己的區(qū)塊鏈俊性，而又不需要考慮共識(shí)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。

2.2 Tendermint設(shè)計(jì)原則

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)具備確定性的狀態(tài)機(jī)描扯，可以在不信任的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行狀態(tài)復(fù)制定页，包括應(yīng)用的狀態(tài)和改變狀態(tài)的交易。從架構(gòu)的層面上绽诚，區(qū)塊鏈可以簡(jiǎn)單分為三個(gè)概念層：
（1）網(wǎng)絡(luò)層（Networking）：負(fù)責(zé)交易和數(shù)據(jù)傳輸和同步典徊。
（2）共識(shí)算法（Consensus）：負(fù)責(zé)不同的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)處理完交易后，保證狀態(tài)的一致恩够，也就是將交易打包到區(qū)塊中卒落。
（3）應(yīng)用程序（Application）：交易的真正執(zhí)行者。

大致框架如下：

目前大部分的區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)都是采用上面的框架蜂桶，實(shí)現(xiàn)成單一的程序儡毕，但是這就很容易出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：
（1）代碼復(fù)用困難，代碼庫(kù)的分支管理變得復(fù)雜扑媚。
（2）限制了應(yīng)用開發(fā)的語(yǔ)言腰湾。

如何去規(guī)避這兩個(gè)問(wèn)題呢？Tendermint設(shè)計(jì)了自己的一套框架疆股，其設(shè)計(jì)原則是易使用费坊，易理解，高性能押桃，適用于各種分布式應(yīng)用葵萎。它的創(chuàng)新之處在于，將區(qū)塊鏈應(yīng)用（狀態(tài)）與底層共識(shí)進(jìn)行了分離唱凯，將共識(shí)引擎和P2P網(wǎng)絡(luò)層封裝組成Tendermint Core羡忘。同時(shí)提供ABCI接口與應(yīng)用層進(jìn)行交互，應(yīng)用邏輯可以用任何語(yǔ)言編寫磕昼，應(yīng)用做的事情實(shí)際上就是狀態(tài)機(jī)控制卷雕。基于這種架構(gòu)票从，應(yīng)用的開發(fā)者可以方便地實(shí)現(xiàn)自己的區(qū)塊鏈漫雕。

Tendermint的框架總體來(lái)講分為ABCI Application以及Tendermint Core兩部分滨嘱，兩者通過(guò)ABCI連接。

3. Tendermint核心模塊

3.1 ABCI Application

開發(fā)者定制開發(fā)的區(qū)塊鏈應(yīng)用浸间，開發(fā)語(yǔ)言不受限制太雨，可以使用任何語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，但是必須實(shí)現(xiàn)為一個(gè)ABCI Server魁蒜，即需要滿足以下幾點(diǎn)：

（1）是一個(gè)Socket Server囊扳，需支持TSP或GRPC兩種方式之一。
（2）能夠處理ABCI Message兜看。
所有的ABCI消息類型都是通過(guò)protobuf來(lái)定義的锥咸，具體的消息格式可參考https://github.com/tendermint/abci/blob/master/types/types.proto
（3） 實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈應(yīng)用接口（ABCI）。
ABCI是Tendermint中定義的一套Application與Tendermint Core之間交互的協(xié)議细移。詳細(xì)定義如下（版本：0.10.3）：

ABCI接口可以分為三類：信息查詢搏予、交易校驗(yàn)以及共識(shí)相關(guān)處理。而Tendermint Core作為ABCI Client在啟動(dòng)時(shí)弧轧，會(huì)與ABCI Server建立三個(gè)連接雪侥，分別用于這三類接口消息的處理。

在Tendermint Core與Application交互的所有消息類型中劣针，有3種主要的消息類型：
（1）CheckTx消息用于驗(yàn)證交易校镐。Tendermint Core中的mempool通過(guò)此消息校驗(yàn)交易的合法性，通過(guò)之后才會(huì)將交易廣播給其它節(jié)點(diǎn)捺典。
（2）DeliverTx消息是應(yīng)用的主要工作流程鸟廓，通過(guò)此消息真正執(zhí)行交易，包括驗(yàn)證交易襟己、更新應(yīng)用程序的狀態(tài)引谜。
（3）Commit消息通知應(yīng)用程序計(jì)算當(dāng)前的事件狀態(tài)，并存在下一區(qū)塊頭中擎浴。

3.2 Tendermint Core

Tendermint共識(shí)引擎员咽，包含區(qū)塊鏈需要大部分功能實(shí)現(xiàn)，主要有：

• 共識(shí)算法：拜占庭POS算法贮预。
• P2P：采用gossip算法贝室，默認(rèn)端口是46656。
• RPC：區(qū)塊鏈對(duì)外接口仿吞，默認(rèn)端口是46657滑频。支持三種訪問(wèn)方式：URI over HTTP、JSONRPC over HTTP唤冈、JSONRPC over websockets峡迷。詳細(xì)的RPC接口定義列表可以參考https://tendermint.github.io/slate
• 其它：交易緩存池、消息隊(duì)列等。

3.2.1 共識(shí)算法

Tendermint是一個(gè)易于理解的BFT共識(shí)協(xié)議绘搞。協(xié)議遵循一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)彤避，如下：

協(xié)議中有兩個(gè)角色：
（1）驗(yàn)證人：協(xié)議中的角色或者節(jié)點(diǎn)，不同的驗(yàn)證者在投票過(guò)程中具備不同的權(quán)力（vote power）夯辖。
（2）提議人：由驗(yàn)證人輪流產(chǎn)生琉预。
驗(yàn)證人輪流對(duì)交易的區(qū)塊提議并對(duì)提議的區(qū)塊投票。區(qū)塊被提交到鏈上楼雹，且每個(gè)區(qū)塊就是一個(gè)區(qū)塊高度模孩。但區(qū)塊也有可能提交失敗，這種情況下協(xié)議將選擇下一個(gè)驗(yàn)證人在相同高度上提議一個(gè)新塊贮缅，重新開始投票。

從圖中可以看到介却，成功提交一個(gè)區(qū)塊谴供，必須經(jīng)過(guò)兩階段的投票，稱為pre-vote和pre-commit齿坷。當(dāng)超過(guò) 2/3 的驗(yàn)證人在同一輪提議中對(duì)同一個(gè)塊進(jìn)行了pre-commit投票桂肌，那么這個(gè)區(qū)塊才會(huì)被提交。

由于離線或者網(wǎng)絡(luò)延遲等原因永淌，可能造成提議人提議區(qū)塊失敗崎场。這種情況在Tendermint中也是允許的，因?yàn)轵?yàn)證人會(huì)在進(jìn)入下一輪提議之前等待一定時(shí)間遂蛀，用于接收提議人提議的區(qū)塊谭跨。

假設(shè)少于三分之一的驗(yàn)證人是拜占庭節(jié)點(diǎn)，Tendermint能夠保證驗(yàn)證人永遠(yuǎn)不會(huì)在同一高度重復(fù)提交區(qū)塊而造成沖突李滴。為了做到這一點(diǎn)螃宙，Tendermint 引入了鎖定機(jī)制，一旦驗(yàn)證人預(yù)投票了一個(gè)區(qū)塊所坯，那么該驗(yàn)證人就會(huì)被鎖定在這個(gè)區(qū)塊谆扎。然后：
（1）該驗(yàn)證人必須在預(yù)提交的區(qū)塊進(jìn)行預(yù)投票。
（2）當(dāng)前一輪預(yù)提議和預(yù)投票沒成功提交區(qū)塊時(shí)芹助，該驗(yàn)證人就會(huì)被解鎖堂湖，然后進(jìn)行對(duì)新塊的下一輪預(yù)提交。

可以看到状土，Tendermint共識(shí)算法和PBFT時(shí)非常相似的无蜂，可以說(shuō)是PBFT的變種，那我們來(lái)比較一下：

（1）相同點(diǎn)：
1）同屬BFT體系声诸。
2）抗1/3拜占庭節(jié)點(diǎn)攻擊酱讶。
3）三階段提交，第一階段廣播交易（區(qū)塊）彼乌，后兩階段廣播簽名（確認(rèn)）泻肯。
4）兩者都需要達(dá)到法定人數(shù)才能提交塊渊迁。

（2）不同點(diǎn)：
1）Tendermint與PBFT的區(qū)別主要是在超過(guò)1/3節(jié)點(diǎn)為拜占庭節(jié)點(diǎn)的情況下。
當(dāng)拜占庭節(jié)點(diǎn)數(shù)量在驗(yàn)證者數(shù)量的1/3和2/3之間時(shí)灶挟，PBFT算法無(wú)法提供保證琉朽，使得攻擊者可以將任意結(jié)果返回給客戶端。而Tendermint共識(shí)模型認(rèn)為必須超過(guò)2/3數(shù)量的precommit確認(rèn)才能提交塊稚铣。舉個(gè)例子箱叁，如果1/2的驗(yàn)證者是拜占庭節(jié)點(diǎn)，Tendermint中這些拜占庭節(jié)點(diǎn)能夠阻止區(qū)塊的提交惕医，但他們自己也無(wú)法提交惡意塊耕漱。而在PBFT中拜占庭節(jié)點(diǎn)卻是可以提交塊給客戶端。
簡(jiǎn)單的說(shuō)抬伺，就是比特幣的網(wǎng)絡(luò)存在分叉的可能螟够，而Tendermint不會(huì)發(fā)生這種情況。
2）另一個(gè)不同點(diǎn)在于拜占庭節(jié)點(diǎn)概念不同峡钓，PBFT指的是節(jié)點(diǎn)數(shù)妓笙，而Tendermint代表的是節(jié)點(diǎn)的權(quán)益數(shù)，也就是投票權(quán)力能岩。
3）最后一點(diǎn)寞宫，PBFT需要預(yù)設(shè)一組固定的驗(yàn)證人，而Tendermint是通過(guò)要求超過(guò)2/3法定人數(shù)的驗(yàn)證人員批準(zhǔn)會(huì)員變更拉鹃，從而支持驗(yàn)證人的動(dòng)態(tài)變化辈赋。

鎖機(jī)制詳解
舉個(gè)例子，有四個(gè)validator 節(jié)點(diǎn)毛俏，A,B,C,D, 在某個(gè)R輪炭庙，在propose階段，
（1）proposer節(jié)點(diǎn)廣播出了新塊blockX煌寇；
（2）A的超時(shí)時(shí)間內(nèi)沒有收到這個(gè)新塊焕蹄，向外廣播pre-vote nil，B,C,D都收到了阀溶，向外廣播pre-vote投給blockX腻脏；
（3）現(xiàn)在四個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入了pre-commit階段，A處于紅色內(nèi)圈银锻，B,C,D處于藍(lán)色外圈永品；
（4）假設(shè)A由于自身網(wǎng)絡(luò)不好，又沒有在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到超過(guò)2/3個(gè)對(duì)blockX的投票击纬，于是只能發(fā)出 pre-commit nil投票消息投給空塊
（5）D收到了B和C的pre-vote消息鼎姐，加上自己的，就超過(guò)了2/3了，于是D在本機(jī)區(qū)塊鏈里commit了blockX
（6）假設(shè)此時(shí)B和C網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題炕桨，收不到D在pre-commit消息饭尝，這是B和C只能看到2票投給了blockX，一票投給了空塊献宫，全部不足2/3钥平，于是B和C都只能 commit空塊，高度不變姊途，進(jìn)人R+1輪涉瘾，A也只能看到2票投給了blockX，一票投給了空塊捷兰，也只能commit空塊立叛，高度不變，進(jìn)人R+1輪贡茅；
（7）在R+1輪囚巴，由于新?lián)Q了一個(gè)proposer, 提議了新的區(qū)塊blockY，A,B,C 三個(gè)個(gè)可能會(huì)在達(dá)成共識(shí)友扰，提交blockY，于是在同樣的高度庶柿，就有blockX和blockY兩個(gè)塊村怪，產(chǎn)生了分叉？其實(shí)浮庐，Tendermint加上了鎖的機(jī)制落竹，具體就是袜匿，在第7步，即使proposer出了新塊blockY，A,B,C只能被鎖定在第6步他們的pre-commit塊上恶阴，即A在第6步投給了空塊，那么在第R+1輪助泽，只能繼續(xù)投給空塊熬北，B在第6步投給了blockX，那么在新一輪璧坟，永遠(yuǎn)只能投給blockX既穆，C也是類似。這樣在R+1輪雀鹃，就會(huì)有1票投給空塊幻工，兩票投給blockX，最終達(dá)成共識(shí)blockX黎茎，A,B,C三人都會(huì)commit blockX囊颅，與D一致，沒有產(chǎn)生沖突。

3.2.2 P2P網(wǎng)絡(luò)

Tendermint的P2P網(wǎng)絡(luò)協(xié)議借鑒了比特幣的對(duì)等發(fā)現(xiàn)協(xié)議踢代，更準(zhǔn)確地說(shuō)盲憎，Tendermint是采用了BTCD的P2P地址簿（Address Book）機(jī)制。當(dāng)連接建立后奸鬓，新節(jié)點(diǎn)將自身的Address信息（包含IP焙畔、Port、ID等）發(fā)送給相鄰節(jié)點(diǎn)串远，相鄰節(jié)點(diǎn)接收到信息后加入到自己的地址薄宏多，再將此條Address信息，轉(zhuǎn)播給它的相鄰節(jié)點(diǎn)澡罚。

此外為了保證節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩陨斓琓endermint采用了基于Station-to-Station協(xié)議的認(rèn)證加密方案，此協(xié)議是一種密鑰協(xié)商方案留搔，基于經(jīng)典的DH算法更胖，并提供相互密鑰和實(shí)體認(rèn)證。大致的流程如下：

（1）每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須生成一對(duì)ED25519密鑰對(duì)作為自己的ID隔显。
（2）當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)建立起TCP連接時(shí)却妨，兩者都會(huì)生成一個(gè)臨時(shí)的ED25519密鑰對(duì)，并把臨時(shí)公鑰發(fā)給對(duì)方括眠。
（3）兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別將自己的私鑰和對(duì)方的臨時(shí)公鑰相乘彪标，得到共享密鑰。這個(gè)共享密鑰對(duì)稱加密密鑰掷豺。
（4）將兩個(gè)臨時(shí)公鑰以一定規(guī)則進(jìn)行排序捞烟，并將兩個(gè)臨時(shí)公鑰拼接起來(lái)后使用Ripemd160進(jìn)行哈希處理，后面填充4個(gè)0当船，這樣可以得到一個(gè)24字節(jié)的隨機(jī)數(shù)题画。
（5）得到的隨機(jī)數(shù)作為加密種子，但為了保證相同的隨機(jī)數(shù)不會(huì)被相同的私鑰使用兩次德频，我們將隨機(jī)數(shù)最后一個(gè)bit置為1苍息，這樣就得到了兩個(gè)隨機(jī)數(shù)，同時(shí)約定排序更高的公鑰使用反轉(zhuǎn)過(guò)的隨機(jī)數(shù)來(lái)加密自己的消息抱婉，而另外一個(gè)用于解密對(duì)方節(jié)點(diǎn)的消息档叔。
（6）使用排序的臨時(shí)公鑰拼接起來(lái)，并進(jìn)行SHA256哈希蒸绩，得到一個(gè)挑戰(zhàn)碼衙四。
（7）每個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用自己的私鑰對(duì)挑戰(zhàn)碼進(jìn)行簽名，并將自己的公鑰和簽名發(fā)給其它節(jié)點(diǎn)校驗(yàn)患亿。
（8）校驗(yàn)通過(guò)之后传蹈，雙方的認(rèn)證就驗(yàn)證成功了押逼。后續(xù)的通信就使用共享密鑰和隨機(jī)數(shù)進(jìn)行加密，保護(hù)數(shù)據(jù)的安全惦界。

3.3 應(yīng)用示例

Tendermint官方項(xiàng)目里內(nèi)置了ABCI Application的兩個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)counter以及kvstore挑格。這個(gè)兩個(gè)Demo邏輯非常簡(jiǎn)單，運(yùn)行起來(lái)也非常簡(jiǎn)單沾歪，以kvstore為例漂彤，只需要下面三條簡(jiǎn)單的指令就可以輕松的跑起來(lái)：

tendermint init

abci-cli kvstore

tendermint node

復(fù)雜一點(diǎn)，假設(shè)想使用Tendermint實(shí)現(xiàn)一套類似Ethereum的應(yīng)用灾搏，最終應(yīng)該是這樣：

由Tendermint Core負(fù)責(zé)交易和區(qū)塊的共享以及共識(shí)處理挫望，開發(fā)者只需將go-ethereum和ABCI Server集成一個(gè)ABCI應(yīng)用。Ethermint項(xiàng)目就是Tendermint團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一個(gè)類似應(yīng)用狂窑，大家可以參考媳板，遺憾的是目前Ethermint目前只支持低版本的abci和go-ethereum。

4. Tendermint工作流程

上圖簡(jiǎn)單描述了Tenermint的工作流泉哈。大致為：
（1）client通過(guò)RPC接口broadcast_tx_commit提交交易蛉幸；
（2）mempool調(diào)用ABCI接口CheckTx用于校驗(yàn)交易的有效性，比如交易序號(hào)丛晦、發(fā)送者余額等奕纫，同時(shí)訂閱交易執(zhí)行后的事件并等待監(jiān)聽。
（3）共識(shí)從mempool中獲取交易開始共識(shí)排序烫沙，打包區(qū)塊若锁，確定之后依次調(diào)用ABCI相關(guān)接口更新當(dāng)前的事件狀態(tài)，并觸發(fā)事件斧吐。
（4）最終將交易信息返回client。

5. 參考

本文轉(zhuǎn)載自《深度解析Tendermint仲器，快速融入Cosmos生態(tài)》煤率。

更多Tendermint資料參考：
（1）拜占庭共識(shí)Tendermint介紹及簡(jiǎn)單入門
https://blog.csdn.net/niyuelin1990/article/details/80537329
（2）Tendermint 說(shuō)明文檔
https://tendermint.readthedocs.io/en/master/
（3）Tendermint GIT地址
https://github.com/tendermint/tendermint
（4）深度解析Tendermint，快速融入Cosmos生態(tài)[質(zhì)量高]
https://zhuanlan.zhihu.com/p/38252058
（5）區(qū)塊鏈框架 Tendermint 入門教程
https://hbliu.coding.me/2018/04/02/tendermint-introduction-1/
（6）詳解Tendermint共識(shí)算法
https://www.odaily.com/post/5134145
（7）分布式一致性協(xié)議介紹（Paxos乏冀、Raft）
https://www.cnblogs.com/zhang-qc/p/8688258.html