Huobi Chain 共识算法 Overlord：通过共识和执行的并行解决金融公链的性能问题

Overlord是由Nervos开发团队最新研发的原创共识算法，这一共识算法的出现是基于HuobiChain的金融应用场景需求。

为什么要单独设计出一种新的共识算法？它相比于现有的主流的BFT共识算法（PBFT、Tendermint、Hotstuff……）有什么不同？下面，就让我们和Muta团队的周昀一起来了解一下Overlord的设计思路与设计特点。

当前我们正处在一个信息大爆炸的时代，在无时不刻不被过量信息包围的处境下，想要客观准确地探究未知事物的本质，变得异常艰难。然而我们始终坚信，卓越的产品源于开创性思维，亦步亦趋必然逃不出自己铸就的天花板，因此我们决定屏蔽一切现有成熟的方案套路，从最原始的需求出发，一砖一瓦地实现我们的愿景。

确定共识算法的目标

最初在为HuobiChain设计共识算法的时候，我们并没有立马着手于技术选型，而是先直面灵魂三问：HuobiChain的服务对象是谁？需要解决什么问题？能够创造什么社会价值？在此期间，我们积极汲取了金融、管理等领域专业人士的建议，密切跟踪市场的真实需求，仔细聆听社区的反馈，经过与数个团队无数次缜密的意见交流之后，终于在2019年6月，取得了阶段性的结论。

鉴于当前金融市场和区块链技术应用相对割裂的现状，HuobiChain的定位是：基于区块链的，高效的，全球性的金融市场基础设施。「高效」对应高速迸发的链上交易；「全球化」对应底层链友好的兼容性和高度可扩展性；「基础设施」则意味着链上应用开发的标准化、精简化，并能够在未来形成丰富的开发者生态。只是这样简简单单的一句话，却向底层链提出了明确的硬性指标。

共识是一条链的心脏，心脏必须高效健壮，链上应用才能蓬勃有力。为了实现火币公链的目标，我们需要一个能够支持上百个共识节点、满足数千笔每秒的交易处理能力，且交易延迟不超过数秒的BFT共识算法。

现行主流共识算法调研

我们调研了市场上所有主流的BFT共识算法：PBFT、Tendermint、Hotstuff……遗憾的是，这些共识算法均无法满足我们的需求。

PBFT作为最早出现的实用性拜占庭容错共识算法，最大的问题是ViewChange时，导致O(n^3)的过高消息复杂度。

Tendermint是2017年提出的共识算法，其核心采用了「锁定—解锁」机制，简化了Leader切换过程。但是该算法却损失了响应性（Responsiveness），这意味着即使处于极佳的网络条件下，仍需面临固定的出块时间。另一方面该算法Viewchange虽然有所精简，复杂度降低至O(n^2)，但依旧无法满足我们对较高共识效率的需求。

Hotstuff于2019年通过Libra走进大众视野，在消息复杂度和提升响应性上做了很多改进，但是交易的确认至少需要3个区块，这一限制在特定环境下，将无法满足某些特定业务和场景的需求。

面临困局，我们决定迎难而上，打造一套全新的共识算法，于是就有了Overlord。该算法已经完成了第一阶段的设计研发，初步的工程实现已在GitHub上开源，目前实测已经能够支持上百个共识节点，满足数千笔每秒的交易处理能力，而且交易延迟不超过数秒，交易上链即不可回滚。那么Overlord是如何能够满足这些需求的？

Overlord的创新之处

引入聚合签名机制，降低消息复杂度

首先，Overlord引入了聚合签名机制，每一轮的共识投票消息，由各个共识节点发送给Leader，并由Leader签名后将零散的消息聚合为一，再广播给其他节点。这一设定将消息复杂度从O(n^2)降低至O(n)，进而可以支持数百个共识节点。

采用「超时+刹车」机制，解决Leader作恶，加速共识进程，降低工程实现难度

与此同时，Overlord采用了「超时+刹车」的机制来解决Leader作恶的问题，显著加速了共识进程，同时降低了工程实现难度。同时，由于消息的数量大幅下降，消息共识（投票等）所占带宽的比例也有了一定的下降，这进一步提升了共识效率。

并行处理出块和投票，出块更快、交易处理能力更高

另一方面，Overlord实现了并行处理出块和投票。这意味着区块校验（包括共识交易的同步）与第一轮投票过程可以并行进行，这相比与其他共识算法出块更快、交易处理能力更高。

解耦状态定序与交易共识，使区块的共识过程和执行过程可以并行

Overlord最重要的一个创新点，也是这个算法最核心的思想，在于解耦了状态定序与交易共识，从而使得区块的共识过程和执行过程可以并行。**相比于Tendermint等待执行结果后再进行下一次共识，Overlord的共识效率有了跨越式提升，因为带宽的空闲等待明显降低。而且在这种设定下，区块上链即确认，交易不可回滚。这将极大的适用于有着大量交易或者复杂合约的金融业务场景。

我们十分坚信，Overlord将成为下一代通用的共识解决方案。

有趣的命名故事

说起Overlord的命名，它其实和我们的Layer2解决方案Muta一脉相承（暴雪粉应该不需要小编多说什么了）。

在这款游戏中，Overlord是为虫族提供人口的基本单位，可以控制若干虫群，这和我们理解的共识的本质很像。共识也是一条链的核心，控制着各个节点的运转，如果把节点想象成虫群的话，Overlord则是虫群的大脑。相信在Overlord的带领下，我们也能建立起庞大的分布式区块链系统。

如果你想了解更多关于Overlord的技术细节，欢迎点击阅读原文，或前往GitHub页面：

https://github.com/nervosnetwork/overlord/blob/master/docs/architecture_zh.md

来源链接：mp.weixin.qq.com

本文来源：NervosNetwork
原文标题：Huobi Chain 共识算法 Overlord：通过共识和执行的并行解决金融公链的性能问题

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编译者/作者：NervosNetwork

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