摘要：第一類模式是在公鏈項(xiàng)目中運(yùn)用的最廣泛應(yīng)用的共識算法，比特幣長達(dá)年的運(yùn)行已充分證明的安全性與穩(wěn)定性。此時(shí)當(dāng)前區(qū)塊已是合法區(qū)塊但是未獲得最終確認(rèn)，類似于比特幣未獲得個(gè)塊確認(rèn)存在回滾的可能性。

共識算法是分布式系統(tǒng)保證節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)狀態(tài)一致性的方法，在區(qū)塊鏈的共識算法分POW(工作量證明)和POS(權(quán)益證明)兩大類。第一類POW模式是在公鏈項(xiàng)目中運(yùn)用的最廣泛應(yīng)用的共識算法，比特幣長達(dá)10年的運(yùn)行已充分證明POW的安全性與穩(wěn)定性。POW的特性是將去中心化與安全性發(fā)揮到了極致,但卻犧牲了性能。 如比特幣的峰值TPS為3.87， 平均每筆交易被打包入塊需要10分鐘;比原鏈的峰值TPS為36.32，平均每筆交易被打包入塊需要2.5分鐘。第二類的POS模式是由通過算法來選擇出塊共識節(jié)點(diǎn)，多用于聯(lián)盟鏈和一些追求高TPS的新公鏈項(xiàng)目中。POS的特性是通過支持更小的出塊間隔來達(dá)到最優(yōu)的性能，但卻犧牲了部分的安全性與去中心化。

Bystack是一個(gè)基于主側(cè)鏈架構(gòu)的區(qū)塊鏈BaaS平臺(tái)，將區(qū)塊鏈分為Layer1和Layer2兩層。

Layer1既比原鏈的主鏈，由POW算法保證最高級別的資產(chǎn)安全與去中心化。Layer1的TPS問題則通過跨鏈技術(shù)將資產(chǎn)轉(zhuǎn)移到Layer2上來解決.

側(cè)鏈（既Layer2）使用創(chuàng)新的BBFT共識算法使單條側(cè)鏈的TPS達(dá)到20000以上，多條側(cè)鏈配合可使TPS線性增長。

在未達(dá)到節(jié)點(diǎn)帶寬與性能瓶頸的前提下，TPS = 區(qū)塊交易數(shù) *每秒確認(rèn)的區(qū)塊數(shù)。由于區(qū)塊可以容納的最大交易數(shù)可以通過簡單的修改代碼參數(shù)實(shí)現(xiàn)，所以提高每秒確認(rèn)的區(qū)塊數(shù)就成了提高TPS的關(guān)鍵方式。如比原鏈的每個(gè)區(qū)塊最大可容納5500筆左右的交易，在主鏈上因?yàn)槠骄?50秒出一個(gè)塊的POW特性所以TPS是36.32.但上在側(cè)鏈如將每秒進(jìn)入最終確認(rèn)的區(qū)塊數(shù)提高到5個(gè)則可輕易的將TPS達(dá)到25000以上。

傳統(tǒng)的DPOS共識算法如EOS已經(jīng)完全可以做到支持每秒2個(gè)區(qū)塊的出塊速度，但卻有一個(gè)等待最終確認(rèn)的問題。
因?yàn)橐粋€(gè)傳統(tǒng)的DPOS區(qū)塊獲得最終確認(rèn)的依據(jù)是所有超級節(jié)點(diǎn)都在此塊之后出過至少一個(gè)子塊。這意味著假設(shè)有21個(gè)超級節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)每輪出6個(gè)塊，平均每個(gè)出塊時(shí)間為0.5秒。那么一個(gè)區(qū)塊獲得最終確認(rèn)的時(shí)間需要60秒。

基于BFT的POS因?yàn)锽FT的特性所有每個(gè)塊在產(chǎn)出之后可以得到快速的最終確認(rèn)，但是卻難以獲得較高的TPS.
原因是BFT每個(gè)區(qū)塊分為三個(gè)狀態(tài)，產(chǎn)生，預(yù)最終狀態(tài)與最終確認(rèn)狀態(tài)。
狀態(tài)的改變是依靠收集到2/3節(jié)點(diǎn)的簽名，而簽名產(chǎn)生的效率依賴網(wǎng)絡(luò)的延遲。假設(shè)部分超級節(jié)點(diǎn)在美國，部分在中國那么通信的延遲大約為200毫秒。
那一個(gè)區(qū)塊從產(chǎn)生到最終確認(rèn)至少需要600毫秒的限制。所以在BFT的共識算法中網(wǎng)絡(luò)延遲成為了高TPS的瓶頸。

Bystack的共識算法是基于DPOS和BBFT算法特性的全新混合共識算法,
通過將出塊與BBFT簽名異步進(jìn)行的模式使得算法同時(shí)具有高TPS與快速最終確認(rèn)的特性。在BBFT共識算法由全網(wǎng)用戶投票選出n個(gè)共識節(jié)點(diǎn)進(jìn)行出塊。共識節(jié)輪流成為出塊節(jié)點(diǎn)，當(dāng)成為出塊節(jié)點(diǎn)的共識節(jié)點(diǎn)將會(huì)以s秒一個(gè)塊的速度連續(xù)出m個(gè)區(qū)塊。當(dāng)區(qū)塊產(chǎn)生之后將直接廣播至全網(wǎng)，
但出塊節(jié)點(diǎn)不會(huì)等待獲取2/3的其他共識節(jié)點(diǎn)簽名而是繼續(xù)在當(dāng)前塊的基礎(chǔ)上出下一個(gè)塊。此時(shí)當(dāng)前區(qū)塊已是合法區(qū)塊但是未獲得最終確認(rèn)，類似于比特幣未獲得6個(gè)塊確認(rèn)存在回滾的可能性。當(dāng)其他共識節(jié)點(diǎn)收到區(qū)塊并且驗(yàn)證通過之后將會(huì)對區(qū)塊進(jìn)行簽名并廣播到全網(wǎng)，當(dāng)一個(gè)區(qū)塊獲得超過2/3的簽名時(shí)就進(jìn)入了最終確認(rèn)狀態(tài)。

實(shí)現(xiàn)高TPS的核心點(diǎn)是每個(gè)共識節(jié)點(diǎn)連續(xù)出m個(gè)區(qū)塊。因?yàn)楫?dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)只出一個(gè)塊的話那么下一個(gè)共識節(jié)點(diǎn)出塊需要等待上一個(gè)共識節(jié)點(diǎn)出的塊，這里就需要考慮一個(gè)網(wǎng)絡(luò)延遲帶來的問題。如果把出塊間隔設(shè)置小于網(wǎng)絡(luò)延遲的，那會(huì)有大概率共識節(jié)點(diǎn)在出塊時(shí)未收到上一個(gè)塊造成分叉的狀態(tài)。但當(dāng)m設(shè)為一個(gè)稍大的數(shù)則可以將tps提升到帶寬與節(jié)點(diǎn)性能的極限。
假設(shè)當(dāng)m=20,
當(dāng)下一個(gè)共識節(jié)點(diǎn)出塊時(shí)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)延遲未收到最后1個(gè)塊但卻收到了之前的19個(gè)塊，節(jié)點(diǎn)會(huì)接在上一輪第19個(gè)塊之后出塊。區(qū)塊鏈會(huì)進(jìn)入瞬間的分叉狀態(tài)但會(huì)根據(jù)最長鏈原則在2個(gè)塊之后全網(wǎng)狀態(tài)統(tǒng)一。雖然損失了1個(gè)區(qū)塊的TPS,
但任保證了出塊間隔小于網(wǎng)絡(luò)延遲情況下的高出塊率。

在BBFT的設(shè)計(jì)中出塊與與共識節(jié)點(diǎn)的BFT簽名是并行進(jìn)行來抵消因網(wǎng)絡(luò)延遲收集BFT簽名對出塊效率的影響。但不同于經(jīng)典BFT算法中有產(chǎn)生，預(yù)最終狀態(tài)與最終確認(rèn)三個(gè)狀態(tài)，
BBFT根據(jù)區(qū)塊鏈的特性改造使算法只有一個(gè)最終確認(rèn)狀態(tài)。
但添加了兩個(gè)額外的限制條件：第一個(gè)是當(dāng)一個(gè)共識節(jié)點(diǎn)對相同高度的兩個(gè)不同區(qū)塊進(jìn)行簽名既發(fā)生欺詐；第二個(gè)是當(dāng)一個(gè)共識節(jié)點(diǎn)對相同時(shí)間的兩個(gè)不同區(qū)塊進(jìn)行簽名既發(fā)生欺詐。通過這種方式的改造減少了共識節(jié)點(diǎn)之間的通信次數(shù)，從而降低了區(qū)塊獲得最終確認(rèn)所花費(fèi)的時(shí)間。同時(shí)BBFT還有區(qū)塊獲得直接確認(rèn)與間接確認(rèn)兩種。第一種直接確認(rèn)既區(qū)塊獲得了超過2/3的共識節(jié)點(diǎn)簽名。第二種間接確認(rèn)是一個(gè)區(qū)塊未獲得2/3的共識節(jié)點(diǎn)簽名，但其子塊獲得了超過2/3共識節(jié)點(diǎn)的簽名，BBFT則會(huì)認(rèn)為此區(qū)塊間接的獲得了最終確認(rèn)的狀態(tài)。

支持只剩單共識節(jié)點(diǎn)存活的情況下支撐整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行到下一輪共識節(jié)點(diǎn)替換，但出塊速度會(huì)下降為正常情況的1/n.
用戶可在此期間更改投票替換超級節(jié)點(diǎn)，在下一輪共識節(jié)點(diǎn)替換時(shí)網(wǎng)絡(luò)既恢復(fù)正常狀態(tài)。

支持1/3的共識節(jié)點(diǎn)作惡的情況下網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行，當(dāng)超過1/3的共識節(jié)點(diǎn)作惡區(qū)塊將長時(shí)間不能進(jìn)入最終確認(rèn)功能直至網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行到下一輪共識節(jié)點(diǎn)被替換。當(dāng)超過1/2的共識節(jié)點(diǎn)作惡，惡意節(jié)點(diǎn)將控制網(wǎng)絡(luò)。

以下案例假設(shè) n = 5, m = 3, s = 1，區(qū)塊高度 = 100，時(shí)間戳為= 1557148900,?

輪到3號共識節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備出第一個(gè)塊

3號節(jié)點(diǎn)出高度為101， 時(shí)間戳為155714890區(qū)塊A，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊A得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

3.? 3號節(jié)點(diǎn)出高度為102， 時(shí)間戳為155714891區(qū)塊B，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊B得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

5.? 3號節(jié)點(diǎn)出高度為103， 時(shí)間戳為155714892區(qū)塊C，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊C得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

4號節(jié)點(diǎn)成功收到區(qū)塊A, B, C并都處于最終狀態(tài)，在此鏈的基礎(chǔ)上繼續(xù)連續(xù)出

4號節(jié)點(diǎn)出高度為104， 時(shí)間戳為155714893區(qū)塊D，廣播至全網(wǎng)

達(dá)到毫秒級最終確認(rèn)，無回滾發(fā)生, 只有在網(wǎng)絡(luò)延遲低與共識節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定的時(shí)候產(chǎn)生

3號節(jié)點(diǎn)出高度為101， 時(shí)間戳為155714890區(qū)塊A，廣播至全網(wǎng)

3號節(jié)點(diǎn)出高度為102， 時(shí)間戳為155714891區(qū)塊B，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊A得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

4.? 3號節(jié)點(diǎn)出高度為103， 時(shí)間戳為155714892區(qū)塊C，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊B得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

4號節(jié)點(diǎn)成功收到區(qū)塊A, B, C但只有A,

B處于最終確認(rèn)狀態(tài)，在此鏈的基礎(chǔ)上繼續(xù)連續(xù)出塊

4號節(jié)點(diǎn)出高度為104， 時(shí)間戳為155714893區(qū)塊D，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊C得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

達(dá)到秒級最終確認(rèn)，無回滾發(fā)生，但因收集共識節(jié)點(diǎn)對區(qū)塊的確認(rèn)簽名，導(dǎo)致最終確認(rèn)的延遲。
但由于所有區(qū)塊已成功傳遞到下一個(gè)出塊共識節(jié)點(diǎn)，所以不影響出塊

時(shí)間戳為155714890， 無新塊產(chǎn)生

時(shí)間戳為155714891， 無新塊產(chǎn)生

時(shí)間戳為155714892， 無新塊產(chǎn)生

4號節(jié)點(diǎn)未收到任何區(qū)塊，輪到挖礦后出高度為101，

時(shí)間戳為155714893區(qū)塊A廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊A得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

達(dá)到秒級最終確認(rèn)，無回滾發(fā)生，因共識節(jié)點(diǎn)down機(jī)導(dǎo)致全網(wǎng)3秒內(nèi)無節(jié)點(diǎn)出塊。造成的影響是減慢了全網(wǎng)的出塊速度，當(dāng)單節(jié)點(diǎn)長期down機(jī)需要等待下一次投票時(shí)重新選出新一輪的共識節(jié)點(diǎn)可修復(fù)

3號節(jié)點(diǎn)出高度為101， 時(shí)間戳為155714890區(qū)塊A，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊A得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

3.? 3號節(jié)點(diǎn)出高度為102， 時(shí)間戳為155714891區(qū)塊B，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊B得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

5.? 3號節(jié)點(diǎn)出高度為103， 時(shí)間戳為155714892區(qū)塊C，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊C得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

4號節(jié)點(diǎn)成功收到區(qū)塊A, B但C區(qū)塊由于延遲問題暫未收到

4號節(jié)點(diǎn)出高度為103， 時(shí)間戳為155714893區(qū)塊D，廣播至全網(wǎng)

由于2/3的共識節(jié)點(diǎn)已最終確認(rèn)區(qū)塊C, D無法獲得最終確認(rèn)

4號節(jié)點(diǎn)收到區(qū)塊C與C的最終確認(rèn)信息， 回滾區(qū)塊D, 切換鏈至區(qū)塊C

4號節(jié)點(diǎn)出高度為104， 時(shí)間戳為155714894區(qū)塊E，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊E得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

達(dá)到秒級最終確認(rèn)，有回滾在所有沒收到區(qū)塊C的節(jié)點(diǎn)中發(fā)生，造成的影響是減慢了1個(gè)塊的出塊速度

3號節(jié)點(diǎn)出高度為101， 時(shí)間戳為155714890區(qū)塊A，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊A得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

3.? 3號節(jié)點(diǎn)出高度為102， 時(shí)間戳為155714891區(qū)塊B，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊B得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

5.? 3號節(jié)點(diǎn)出高度為103， 時(shí)間戳為155714892區(qū)塊C，廣播至全網(wǎng)

4號節(jié)點(diǎn)成功收到區(qū)塊A, B但C區(qū)塊由于延遲問題暫未收到

4號節(jié)點(diǎn)出高度為103， 時(shí)間戳為155714893區(qū)塊D，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊D得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

3號節(jié)點(diǎn)收到區(qū)塊D與D的最終確認(rèn)信息， 回滾區(qū)塊C, 切換鏈至區(qū)塊D

4號節(jié)點(diǎn)出高度為104， 時(shí)間戳為155714894區(qū)塊E，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊E得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

達(dá)到秒級最終確認(rèn)，有回滾在所有認(rèn)同區(qū)塊C的節(jié)點(diǎn)中發(fā)生，造成的影響是減慢了1個(gè)塊的出塊速度

3號節(jié)點(diǎn)出高度為101， 時(shí)間戳為155714890區(qū)塊A，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊A得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

3.? 3號節(jié)點(diǎn)出高度為102， 時(shí)間戳為155714891區(qū)塊B，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊B得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

5.? 3號節(jié)點(diǎn)出高度為103， 時(shí)間戳為155714892區(qū)塊C，廣播至全網(wǎng)

4號節(jié)點(diǎn)成功收到區(qū)塊A, B但C區(qū)塊由于延遲問題暫未收到

4號節(jié)點(diǎn)出高度為103， 時(shí)間戳為155714893區(qū)塊D，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊D得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

3號節(jié)點(diǎn)收到區(qū)塊D與D的最終確認(rèn)信息， 回滾區(qū)塊C, 切換鏈至區(qū)塊D

4號節(jié)點(diǎn)出高度為104， 時(shí)間戳為155714894區(qū)塊E，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊E得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

達(dá)到秒級最終確認(rèn)，有回滾在所有認(rèn)同區(qū)塊C的節(jié)點(diǎn)中發(fā)生，造成的影響是減慢了1個(gè)塊的出塊速度

3號節(jié)點(diǎn)出高度為101， 時(shí)間戳為155714890區(qū)塊A，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊A得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

3.? 3號節(jié)點(diǎn)出高度為102， 時(shí)間戳為155714891區(qū)塊B，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊B得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

5.? 3號節(jié)點(diǎn)出高度為103， 時(shí)間戳為155714892區(qū)塊C，廣播至全網(wǎng)

4號節(jié)點(diǎn)成功收到區(qū)塊A, B但C區(qū)塊由于延遲問題暫未收到

4號節(jié)點(diǎn)出高度為103， 時(shí)間戳為155714893區(qū)塊D，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊C, D各獲得50%的共識節(jié)點(diǎn)投票，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入分叉狀態(tài)

4號節(jié)點(diǎn)出高度為104， 時(shí)間戳為155714894區(qū)塊E，廣播至全網(wǎng)

區(qū)塊E得到超過2/3的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)

4號節(jié)點(diǎn)出高度為105， 時(shí)間戳為155714895區(qū)塊E，廣播至全網(wǎng)

達(dá)到秒級最終確認(rèn)(極端情況分鐘級發(fā)生概率和比特幣回滾6區(qū)塊差不多)，有回滾在所有認(rèn)同區(qū)塊C的節(jié)點(diǎn)中發(fā)生，造成的影響是減慢了1個(gè)塊的出塊速度.
此異常情況的極限狀態(tài)是兩條鏈各站約50%的算力并且發(fā)生持續(xù)競爭，直到稍占共識優(yōu)勢的鏈先進(jìn)入了了最終確認(rèn)狀態(tài)。

1.
共識節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)其實(shí)代表了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)率，n越大則單點(diǎn)故障對網(wǎng)絡(luò)造成的影響越小。但n的數(shù)量增大會(huì)導(dǎo)致BFT對區(qū)塊簽名數(shù)量要求的增加，會(huì)消耗更多的資源與延緩區(qū)塊進(jìn)入最終確認(rèn)狀態(tài)所需要的時(shí)間

2.
每個(gè)節(jié)點(diǎn)連續(xù)出塊的個(gè)數(shù)是為了在考慮到網(wǎng)絡(luò)延遲的情況下仍可以保證高速出塊的方法。
當(dāng)連續(xù)出塊個(gè)數(shù)足夠時(shí)出塊時(shí)間理論上可達(dá)毫秒級。核心點(diǎn)就是當(dāng)下一個(gè)出塊共識節(jié)點(diǎn)有網(wǎng)絡(luò)延遲未收到最后的3個(gè)區(qū)塊，但之前的m-3個(gè)區(qū)已收到，可在m-3基礎(chǔ)上繼續(xù)出塊。但m過大會(huì)導(dǎo)致單共識節(jié)點(diǎn)故障時(shí)長時(shí)間不出塊

3.
出塊間隔時(shí)間明面上是高tps的保證，理論上當(dāng)出塊間隔為200毫秒時(shí)比Bytom的tps可達(dá)25000。但s設(shè)置的過小可能導(dǎo)致區(qū)塊最終確認(rèn)時(shí)間的延長。

論文鏈接：https://github.com/bystackcom...