Overlord 是由 Nervos 開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)最新研發(fā)的原創(chuàng)共識(shí)算法，這一共識(shí)算法的出現(xiàn)是基于 Huobi Chain 的金融應(yīng)用場(chǎng)景需求。

為什么要單獨(dú)設(shè)計(jì)出一種新的共識(shí)算法？它相比于現(xiàn)有的主流的 BFT 共識(shí)算法（PBFT、Tendermint、Hotstuff……）有什么不同？下面，就讓我們和 Muta 團(tuán)隊(duì)的周昀一起來(lái)了解一下 Overlord 的設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

當(dāng)前我們正處在一個(gè)信息大爆炸的時(shí)代，在無(wú)時(shí)不刻不被過(guò)量信息包圍的處境下，想要客觀準(zhǔn)確地探究未知事物的本質(zhì)，變得異常艱難。然而我們始終堅(jiān)信，卓越的產(chǎn)品源于開(kāi)創(chuàng)性思維，亦步亦趨必然逃不出自己鑄就的天花板，因此我們決定屏蔽一切現(xiàn)有成熟的方案套路，從最原始的需求出發(fā)，一磚一瓦地實(shí)現(xiàn)我們的愿景。

確定共識(shí)算法的目標(biāo)

最初在為 Huobi Chain 設(shè)計(jì)共識(shí)算法的時(shí)候，我們并沒(méi)有立馬著手于技術(shù)選型，而是先直面靈魂三問(wèn)：Huobi Chain 的服務(wù)對(duì)象是誰(shuí)？需要解決什么問(wèn)題？能夠創(chuàng)造什么社會(huì)價(jià)值？在此期間，我們積極汲取了金融、管理等領(lǐng)域?qū)I(yè)人士的建議，密切跟蹤市場(chǎng)的真實(shí)需求，仔細(xì)聆聽(tīng)社區(qū)的反饋，經(jīng)過(guò)與數(shù)個(gè)團(tuán)隊(duì)無(wú)數(shù)次縝密的意見(jiàn)交流之后，終于在 2019 年 6 月，取得了階段性的結(jié)論。

鑒于當(dāng)前金融市場(chǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用相對(duì)割裂的現(xiàn)狀，Huobi Chain 的定位是：基于區(qū)塊鏈的，高效的，全球性的金融市場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。「高效」對(duì)應(yīng)高速迸發(fā)的鏈上交易；「全球化」對(duì)應(yīng)底層鏈友好的兼容性和高度可擴(kuò)展性；「基礎(chǔ)設(shè)施」則意味著鏈上應(yīng)用開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化、精簡(jiǎn)化，并能夠在未來(lái)形成豐富的開(kāi)發(fā)者生態(tài)。只是這樣簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的一句話，卻向底層鏈提出了明確的硬性指標(biāo)。

共識(shí)是一條鏈的心臟，心臟必須高效健壯，鏈上應(yīng)用才能蓬勃有力。為了實(shí)現(xiàn)火幣公鏈的目標(biāo)，我們需要一個(gè)能夠支持上百個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)、滿足數(shù)千筆每秒的交易處理能力，且交易延遲不超過(guò)數(shù)秒的 BFT 共識(shí)算法。

現(xiàn)行主流共識(shí)算法調(diào)研

我們調(diào)研了市場(chǎng)上所有主流的 BFT 共識(shí)算法：PBFT、Tendermint、Hotstuff……遺憾的是，這些共識(shí)算法均無(wú)法滿足我們的需求。

PBFT 作為最早出現(xiàn)的實(shí)用性拜占庭容錯(cuò)共識(shí)算法，最大的問(wèn)題是 ViewChange 時(shí)，導(dǎo)致 O（n^3） 的過(guò)高消息復(fù)雜度。

Tendermint 是 2017 年提出的共識(shí)算法，其核心采用了「鎖定—解鎖」機(jī)制，簡(jiǎn)化了 Leader 切換過(guò)程。但是該算法卻損失了響應(yīng)性（Responsiveness），這意味著即使處于極佳的網(wǎng)絡(luò)條件下，仍需面臨固定的出塊時(shí)間。另一方面該算法 Viewchange 雖然有所精簡(jiǎn)，復(fù)雜度降低至 O（n^2），但依舊無(wú)法滿足我們對(duì)較高共識(shí)效率的需求。

Hotstuff 于 2019 年通過(guò) Libra 走進(jìn)大眾視野，在消息復(fù)雜度和提升響應(yīng)性上做了很多改進(jìn)，但是交易的確認(rèn)至少需要 3 個(gè)區(qū)塊，這一限制在特定環(huán)境下，將無(wú)法滿足某些特定業(yè)務(wù)和場(chǎng)景的需求。

面臨困局，我們決定迎難而上，打造一套全新的共識(shí)算法，于是就有了 Overlord。該算法已經(jīng)完成了第一階段的設(shè)計(jì)研發(fā)，初步的工程實(shí)現(xiàn)已在 GitHub 上開(kāi)源，目前實(shí)測(cè)已經(jīng)能夠支持上百個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)，滿足數(shù)千筆每秒的交易處理能力，而且交易延遲不超過(guò)數(shù)秒，交易上鏈即不可回滾。那么 Overlord 是如何能夠滿足這些需求的？

Overlord 的創(chuàng)新之處

引入聚合簽名機(jī)制，降低消息復(fù)雜度

首先，Overlord 引入了聚合簽名機(jī)制，每一輪的共識(shí)投票消息，由各個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送給 Leader，并由 Leader 簽名后將零散的消息聚合為一，再?gòu)V播給其他節(jié)點(diǎn)。這一設(shè)定將消息復(fù)雜度從 O（n^2） 降低至 O（n），進(jìn)而可以支持?jǐn)?shù)百個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)。

采用「超時(shí)+剎車(chē)」機(jī)制，解決 Leader 作惡，加速共識(shí)進(jìn)程，降低工程實(shí)現(xiàn)難度

與此同時(shí)，Overlord 采用了「超時(shí)+剎車(chē)」的機(jī)制來(lái)解決 Leader 作惡的問(wèn)題，顯著加速了共識(shí)進(jìn)程，同時(shí)降低了工程實(shí)現(xiàn)難度。同時(shí)，由于消息的數(shù)量大幅下降，消息共識(shí)（投票等）所占帶寬的比例也有了一定的下降，這進(jìn)一步提升了共識(shí)效率。

并行處理出塊和投票，出塊更快、交易處理能力更高

另一方面，Overlord 實(shí)現(xiàn)了并行處理出塊和投票。這意味著區(qū)塊校驗(yàn)（包括共識(shí)交易的同步）與第一輪投票過(guò)程可以并行進(jìn)行，這相比與其他共識(shí)算法出塊更快、交易處理能力更高。

解耦狀態(tài)定序與交易共識(shí)，使區(qū)塊的共識(shí)過(guò)程和執(zhí)行過(guò)程可以并行

Overlord 最重要的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，也是這個(gè)算法最核心的思想，在于解耦了狀態(tài)定序與交易共識(shí)，從而使得區(qū)塊的共識(shí)過(guò)程和執(zhí)行過(guò)程可以并行。相比于 Tendermint 等待執(zhí)行結(jié)果后再進(jìn)行下一次共識(shí)，Overlord 的共識(shí)效率有了跨越式提升，因?yàn)閹挼目臻e等待明顯降低。而且在這種設(shè)定下，區(qū)塊上鏈即確認(rèn)，交易不可回滾。這將極大的適用于有著大量交易或者復(fù)雜合約的金融業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

我們十分堅(jiān)信，Overlord 將成為下一代通用的共識(shí)解決方案。

有趣的命名故事

說(shuō)起 Overlord 的命名，它其實(shí)和我們的 Layer 2 解決方案 Muta 一脈相承（暴雪粉應(yīng)該不需要小編多說(shuō)什么了）。

在這款游戲中， Overlord 是為蟲(chóng)族提供人口的基本單位，可以控制若干蟲(chóng)群，這和我們理解的共識(shí)的本質(zhì)很像。共識(shí)也是一條鏈的核心，控制著各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)，如果把節(jié)點(diǎn)想象成蟲(chóng)群的話，Overlord 則是蟲(chóng)群的大腦。相信在 Overlord 的帶領(lǐng)下，我們也能建立起龐大的分布式區(qū)塊鏈系統(tǒng)。
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