共识机制是区块链网络用来达成交易确认共识的协议，伊斯坦堡拜占庭容错演算法是共识机制的一种，共识机制是通过特殊节点的投票，在很短的时间内完成对交易的验证和确认；对一笔交易，如果利益不相干的若干个节点能够达成共识，我们就可以认为全网对此也能够达成共识。

我们先了解一下拜占庭容错，其思想渊源来自拜占庭将军问题，是一种解决分布式系统容错问题的通用方案。PBFT算法的核心理论是n>=3f 1，n是系统中的总节点数，f是允许出现故障的节点数。换句话说，如果这个系统允许出现f个故障，那么这个系统必须包括n个节点，才能解决故障。基于拜占庭将军问题，PBFT 算法包括四个阶段来达成共识：请求（request）、预准备（Pre-Prepare）、准备（Prepare） 和确认（Commit）。流程如下图所示：

其中C为发送请求端，0123为服务端，3为宕机的服务端，具体步骤如下：

1. Request：请求端C发送请求到任意一节点，这里是0

2. Pre-Prepare：服务端0收到C的请求后进行广播，扩散至123

3. Prepare：123,收到后记录并再次广播，1->023，2->013，3因为宕机无法广播

4. Commit：0123节点在Prepare阶段，若收到超过一定数量的相同请求，则进入Commit阶段，广播Commit请求

5.Reply：0123节点在Commit阶段，若收到超过一定数量的相同请求，则对C进行反馈,根据上述流程，在 N ≥ 3F 1 的情況下一致性是可能解決，N为总计算机数，F为有问题的计算机总数。

伊斯坦堡拜占庭容错演算法通过使用3相一致，从原来PBFT继承PRE-PREPARE，PREPARE，和COMMIT。系统可以容忍验证器节点网络F中的大多数故障节点N，其中N = 3F 1。在每轮之前，验证器将默认以循环方式选择其中一个作为提议者。然后，提议者将提出新的块提议并将其与PRE-PREPARE消息一起广播。在收到PRE-PREPARE来自提议者的消息后，验证者进入状态，PRE-PREPARED然后广播PREPARE消息。这一步是为了确保所有验证器都在同一个序列和同一轮上工作。当接收2F 1的PREPARE消息，验证程序进入的状态PREPARED，然后广播COMMIT信息。此步骤是通知其对等方它接受建议的块并将块插入链。最后，验证等待2F 1的COMMIT消息进入COMMITTED状态，然后插入块链。

伊斯坦堡拜占庭容错演算法(Istanbul BFT)中的块是块是最终的，这意味着没有分叉，任何有效块必须位于主链的某个位置。为了防止故障节点从主链生成完全不同的链，每个验证器将2F 1接收的COMMIT签名附加到extraData标头中的字段，然后将其插入链中。因此，块是可自我验证的，并且也可以支持轻客户端。但是，动态extraData会导致块哈希计算出现问题。由于来自不同验证器的相同块可以具有不同的COMMIT签名集，因此相同的块也可以具有不同的块散列。为了解决这个问题，我们通过排除来计算块哈希COMMIT签名部分。因此，我们仍然可以保持块/块哈希一致性，并将共识证明放在块头中。

状态：

NEW ROUND：提议者发送新的阻止提案。验证器等待PRE-PREPARE消息。

PRE-PREPARED：验证程序已收到PRE-PREPARE消息和广播PREPARE消息。然后，它等待2F 1的PREPARE或COMMIT消息。

PREPARED：验证器接收到2F 1的PREPARE消息和广播COMMIT消息。然后，它等待2F 1的COMMIT消息。

COMMITTED：验证器接收到2F 1的COMMIT消息，并且能够将提出块插入blockchain。

FINAL COMMITTED：新块已成功插入区块链，验证器已准备好进入下一轮。

ROUND CHANGE：验证器正在等待同一个建议的轮数2F 1的ROUND CHANGE消息。

下图是他们之间的状态装换

A提议发出者 1 2 3 代表验证者

NEW ROUND- > PRE-PREPARED：

投保人从txpool收集交易。

Proposer生成块提议并将其广播给验证者。然后它进入PRE-PREPARED状态。

每个验证器PRE-PREPARED在收到PRE-PREPARE具有以下条件的消息时进入：

§ 1.阻止提案来自有效的提议者。

§ 2.块头有效。

§ 3.阻止提案的序列和舍入匹配验证器的状态。

ValidatorPREPARE向其他验证器广播消息。

PRE-PREPARED- > PREPARED：

验证器接收2F 1有效PREPARE消息以进入PREPARED状态。有效消息符合以下条件：

§ 1.匹配序列和圆形。

§ 2.匹配块哈希。

§ 3.消息来自已知的验证器。

ValidatorCOMMIT在进入PREPARED状态时广播消息。

PREPARED- > COMMITTED：

验证器接收2F 1有效COMMIT消息以进入COMMITTED状态。有效消息符合以下条件：

§ 1.匹配序列和圆形。

§ 2.匹配块哈希。

§ 3.消息来自已知的验证器。

COMMITTED- > FINAL COMMITTED：

Validator将2F 1承诺签名附加到extraData并尝试将块插入区块链。

FINAL COMMITTED插入成功后，验证器进入状态。

FINAL COMMITTED- > NEW ROUND：

验证器选择一个新的提议器并启动一个新的循环计时器

伊斯坦堡拜占庭容错演算法(Istanbul BFT)它适合金融实务需求的伊斯坦堡拜占庭容错演算法(Istanbul BFT)，将抢先应用于摩根大通(J.P. Morgan)“Quorum”金融区块链平台上。

 其实伊斯坦堡拜占庭容错演算法还在燎原连上进行了应用。EUBT的核心算法为IBFT，通过伊斯坦堡拜占庭容错演算法(Istanbul BFT)的应用，相对于拜占庭容错演算法（PBFT），大幅提升现有的以太坊架构的信息交换效率，整合了更多符合区块链实际应用的功能。相对于比特币等公有区块链上常用的工作量校验（Proof-of-Work，简称PoW或俗称「挖矿」演算法）共识演算法，PBFT对此做出很多重大改良，而IBFT更进一步改良，相对于POW不能接受可结束（Final）的区块链区块（Block），导致每一个区块都有被分支（Fork）的微几率，IBFT区块能够即时达到Final状态，共识完成就可以将上传区块，不会衍生更多分支，因此可以大幅提升区块生产力。而产生区块的过程不需要竞争，有别于比拼区块长度的POW，不浪费能源及运行资源。

总结

共识机制

伊斯坦堡拜占庭容错演算法

燎原链的共识机制

参考文献

维基百科共识机制的分类

燎原链白皮书和技术白皮书

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