Polkadot共识第2部分：GRANDPA

翻译：First.vip

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在序文当中，我讲到了一种共识算法可以帮助计算机网络回答三个问题。 GRANDPA便是解决第二个问题。

1.谁可以提出下一次更改？

2.哪一组更改为最终更改？

3.如果有人打破规则会怎样？

GRANDPA是Polkadot一款决定区块最终性的工具，作用是选出权威链。换句话说，GRANDPA决定哪条链为最终链。它不会自行生产区块，而是，GRANDPA验证人从另一个区块生产模块（我们将在第3部分中讨论）中导入区块。

分离区块生产和安全性的好处之一，除了可以有优良的工程设计外，GRANDPA对导入的区块没有很多限制。 GRANDPA仅要求区块生产系统生产的区块是安全的，遵循GRANDPA的分叉规则，并且区块头必须具有指向其父区块的指针，确保轻客户端可以跟上链条的进度即可。

GRANDPA协议

GRANDPA与其他拜占庭式容错算法不同之处在于，验证人是对区块链投票，而不是对区块进行投票。GRANDPA间接地应用投票，GRANDPA算法寻找有足够选票，且足以认定为最终区块的最高区块号。在寻找区块的过程中，一轮可以确定好几个最终区块。

最后一部分很重要，因为它消除了妨碍其他区块链终结性小工具的瓶颈。与其他PBFT衍生协议一样，GRANDPA的复杂度为O（n²）。也就是说，如果将节点数增加一倍，发送的消息数会增加四倍。共识系统将区块生产与最终性流程分离，使你可以给每个区块发送消息。通过将区块生产隔离在另一个模块中，生产区块的效率变高了（BABE为O（n）），并在一轮中可以最终确认其中的好几个区块。让我们来看一个示例，检查Kusama节点中的以下日志消息：

Idle (24 peers), best: #664257 (0x706c…76b7), finalized #664253 (0xe4ab…4d2a)
Imported #664258 (0xee71…6321)
Idle (24 peers), best: #664258 (0xee71…6321), finalized #664256 (0x809a…a5d8)

发现在一轮中，GRANDPA最终确定了三个区块（664,254至664,256）。

GRANDPA轮

选民执行以下流程来确定新区块：

1.被指定为“主”节点的节点广播它认为继上一轮后，这一轮可以被最终确定的最高区块。

2.等待网络延迟后，每个验证人会为自己认为应该是最高的区块广播一个“预投票”。如果绝大多数验证人是诚实的，则将有最多广播数的区块添加到区块链上。新链会比上一次最终确定的链长出几个区块。

3.每个验证人根据预投票集，计算出将得到最终确定的最高区块。如果预投票集延长了上条最终确认的区块链，则每个验证人都将对这条链投递“预提交”。

4.每个验证人等待接收足够数量的预提交，在新确定的链上提交消息。

与其他拜占庭容错算法（例如PBFT和Hotstuff）相比，细微且重要的一点区别是，在关键路径上没有视图变化。尽管每轮的最高区块发生更改，但视图更改只在异步网络情况下，开启新一轮，因此在部分同步网络中，即使在没有分配最高区块的情况下，协议也会不断更新。

如果协议中有2/3以上的预投票或预提交来自验证人，协议的步骤就完成了。为了确定最终性，必须限制验证人集的投票数。与以概率来确定最终区块的链不同，这种链有无数验证人集。GRANDPA协议并没有定义选择选民集的方法逻辑（参加第4部分）。

GRANDPA支持加权投票。例如，你可以在自己的链上应用GRANDPA协议，这样验证人如果有更多的stake，就能获得更多投票。但在Polkadot中，所有验证人的加权投票都是均等的。这种均等加权经济策略，可以防止少数节点获得较大的网络份额。

安全责任：当发生问题时谁来负责？

GRANDPA具有一项称作“安全责任（accountable safety）”的功能，让验证人对违反安全性的行为负责。当两个区块在不同的链上被最终确认时，会产生安全冲突。安全责任就扮演类似一场事故调查的作用。

首先，两条相互矛盾的链是如何达成最终性的？拜占庭共识系统始终基于以下条件：拥有容错验证人的最大数量是总验证人数量的一部分（在波卡当中占比1/3）。如果让两条相互矛盾的链达成最终性，验证人集不能满足“容错验证人的最大数量是总验证人数量的一部分”这一要求；至少1/3的验证人对这两条链都进行投票。

在两个相互冲突的链上进行投票的行为称为equivocating（相互矛盾）。公认的一个事实是equivocating是对拜占庭容错系统的冒犯。在GRANDPA系统中，我们可以检测出equivocating。

首先，我们先询问节点，为什么投票给第二个区块（认为第2个区块具有最终性），却不投给第一个区块。所有的诚实验证人（大多数认为第2个区块具有最终性）都需要在第二轮用一组预投票或预提交来回答第一个问题。

如果没问题，接着我们会提问第二个问题：你看到过第1轮的哪些投票？我们实质上是在要求他们告发其他验证人，并透露他们从对等节点那里获得的所有投票。结合两个问题，就能找出为两条冲突链投票的验证人。在假定的情况下，他们将受到重罚，但这是区块链工作的逻辑，共识不是这种逻辑。

如果出现安全错误，网络必须执行硬分叉选出最终链。有了安全责任功能，Polkadot可以确保对发起攻击的验证人进行惩罚，并踢出验证人集。

GRANDPA如何验证可用性和有效性？

还记得上面提到的日志消息吗？注意一点，最终区块落后最佳区块后面两个区块。实际上，这种滞后保证区块生产和最终性有所区分。

Idle (24 peers), best: #664258 (0xee71…6321), finalized #664256 (0x809a…a5d8)

包括Polkadot在内的区块链互操作性系统都存在数据可用性问题。想象一位整理者提交一个区块给验证人，但是其他平行链整理者都没有看到这个区块。如果提交区块的整理者离线了怎么办？验证人有责任在一段时间内存储完整的区块，以便任何平行链整理者都可以请求区块。

验证人应该先执行区块，再给区块投票，但我们想确保他们这样做。Polkadot中有许多名叫“渔民”的节点，它们的作用是执行区块并报告任何验证程序异常的行为，例如提议将无效的平行链区块打包进中继链。

绝不希望出现的情况是：最终确定的是一个无效区块，或者最终确认的区块排序器无法重构。通过保留落后链尖端几个区块的最终性，可以让渔民来验证区块的正确性，并质疑验证人区块的可用性。

我们一直在讨论如何确定规范链，但是这些链选项有哪些来源？这就是需要BABE的地方。请参阅本系列文章第3部分。

来源|波卡官方博客

翻译|头等仓Tracey

编译|头等仓Mark

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