1. Tendermint简介

Tendermint被设计用于构建各种分布式应用，易于理解和使用，并且高效。

Tendermint基于状态机副本复制技术，适用于区块链的账本存储。它是BFT（拜占庭容错）的，能够容许不超过1/3 的拜占庭节点的存在，也就是说，在这个前提下，系统能够保证所有正常节点拥有相同的交易列表，并按相同的顺序执行交易，最终得到相同的状态。

Tendermint 包含两个主要的模块：

（1）共识引擎称作Tendermint Core，用于保证各节点按相同的顺序记录相同的交易列表。

（2）应用接口称作Application BlockChain Interface，简称 ABCI 。ABCI允许开发者使用任意的编程语言和开发环境编写应用逻辑，例如交易的处理逻辑等。

通过将共识引擎与应用逻辑解耦，Tendermint 可以用于构建各种分布式应用，包括各种区块链等。例如
Cosmos、 Ethermint 和 Hyperledger Burrow 等都基于 Tendermint 共识引擎而构建。

2. Tendermint共识算法

本部分详细介绍Tendermint共识算法。 Tendermint共识算法属于拜占庭容错类的共识算法，在拜占庭节点数不超过 1/3的情况下，能够保证共识的安全性（safety）。严格来说，由于系统中 validator节点的投票权（voting power）可能不一样，因此，容错性更准确地说，是指拜占庭节点的投票权不超过 1/3。

2.1. Tendermint共识算法

2.1.1. 系统模型

系统中，节点分为两种类型：validator和非validator节点。

validator节点参与共识，也就是对区块（包含一批交易）进行共识，包括propose区块，对提议的区块进行投票。而非validator节点不参与共识，但会帮助传播区块和投票消息，以及相互同步状态等。

节点之间不一定两两相连，和一个节点直接相连的那些节点称作peers。

无论是validator节点，还是非validator节点，都包含与共识过程相关的一些状态，如区块链当前高度height，round，以及step等。

节点之间运行gossip协议，相互同步共识状态和区块链状态信息。

2.1.2. 状态机概览

2.1.2.1. 算法主体流程

Tendermint算法主流程如下所示：

-LMLPHP

上图大致描述了共识的过程：从Propose区块开始，进行Prevote和Precommit两个阶段的投票。如果投票达成共识，则依次进入Commit 和 NewHeight阶段，完成共识，区块链高度增加。整个过程称为一个round。不管投票是否达成共识，系统将推进到下一个round，进行新一轮的共识。这其中的区别是：

（1）如果是完成NewHeight 阶段，则下一个round 用于共识下一个高度的区块

（2）而如果当前round投票没有达成共识，则下一个round仍将共识当前高度的区块。

注意到上图右下角有一幅跳舞的图片，这是一种捷克民间舞蹈，叫波尔卡，英文名为polka。Tendermint算法中，各validator节点的共识过程有点类似于跳波尔卡舞蹈。事实上，在第一阶段 Prevote投票中，如果节点收到了+2/3的Prevote投票，这些投票整体上就称为一个polka，也叫做PoLC。

2.1.2.2. 算法相关概念

从上述过程可以看出，Tendermint共识过程基于round进行。基于区块链的当前高度，每个新区块的共识需要一个或多个round。

关于round

一个round包括3个阶段（step）：Propose，Prevote和Precommit。整个Tendermint共识过程就是由一个或多个round，再加上两个特殊的阶段：Commit和NewHeight所组成，如下所示：

NewHeight -> (Propose -> Prevote -> Precommit)+ -> Commit -> NewHeight ->...

其中，阶段序列：
(Propose -> Prevote -> Precommit)

称为一个round。

一个共识过程可能需要多个round的原因可能有：

（1）指定的proposer节点不在线

（2）proposal block无效

（3）节点没有及时收到proposal block

（4）虽然proposal block有效，但是没有足够多的节点在Precommit 阶段及时收到对应的 +2/3 的prevotes

（5）虽然proposal block有效，也有足够多的节点接收到了+2/3 的prevotes，但是没有足够多的节点收到+2/3 的 precommits

类似上述情况的解决方法有：

（1）系统变更到下一个round，重新指定proposer节点

（2）round变更时，增加各阶段的超时时间

2.1.2.3. 算法详细流程

下面详细介绍算法的流程。

1、Propose 阶段(height:H,round:R)

在这一阶段，指定的proposer节点组装并广播proposal（提议内容）。

说明：

（1）proposer节点指定方式为：依据当前的round和各validator的投票权，采取确定性的、非阻塞的roundrobin选择算法来选取。

（2）proposal包含一个提议的区块，以及一个可选的、最新的PoLC-round（小于当前的round值R）。PoLC-round的含义是，针对该round，有一个PoLC，即有+2/3(多于2/3)的节点的prevote投票。

仅在当前proposer节点知晓一个最新的PoLC-round时，才会将其包含在proposal中。这里PoLC-round的作用是，必要时让节点从更旧的round 解除锁定，保持系统的liveness（活性）。

Propose 阶段结束条件为：

（1）超时时间内收到proposal block及PoLC-Round的所有prevote 投票(如果有的话)，则立即转到下一阶段：Prevote(H,R)；

（2）否则，等到timeoutProposeR超时，转到下一阶段： Prevote(H,R)。这里可以看到，节点在Propose 阶段会等待一小段时间：timeoutProposeR，来接收proposal。这是Tendermint所基于的一个弱同步假设。除此之外，算法的其余步骤为异步的。

（3）公共退出条件

上述公共退出条件具体指的是：

收到针对特定block的 +2/3 的precommit 投票，则转到Commit(H)

收到(H,R+x)的任何 +2/3 的 prevote 投票，则转到Prevote(H,R+x)

收到(H,R+x)的任何 +2/3 的 precommit 投票，则转到Precommit(H,R+x)

上述公共退出条件在接下来将介绍到的 Prevote 和Precommit 阶段也都会起作用。

2、Prevote 阶段 (height:H,round:R)

每个validator节点进入到Prevote 阶段后，会投prevote 投票并向其他节点广播其投票。

首先，如果节点自LastLockRound起lock在某一block，此时却有PoLC-Round的、另一个block或nil的PoLC，则节点unlock。这里 LastLockRound < PoLC-Round < R；

否则，如果节点还lock在某一block，则针对该block 进行prevote（投票并广播，之后所有类似表述都可以类比理解）；

否则，如果proposed block有效，则对其prevote；

否则，如果proposed block无效，或者没有及时收到，则prevote nil。

Prevote 阶段的结束条件为：

（1）收到任何+2/3 的prevote 投票后等待一段时间：timeoutPrevote。

如果该时间内收到针对一个特定block或nil的+2/3 的 prevote 投票，则立即转到下一阶段：Precommit(H,R)；

如果该时间内没有收到上述PoLC，则转到下一阶段：Precommit(H,R)。

（2）公共退出条件

3、Precommit 阶段 (height:H,round:R)

每个validator节点进入到Precommit 阶段后，会投 precommit 投票并广播其投票。

首先，在(H,R)，如果节点有针对一个特定block的PoLC，则节点lock在该block，并且置LastLockRound =R，同时precommit 该block；

否则，在(H,R)，如果节点有针对 nil 的一个PoLC，则节点unlock，同时precommit nil；

否则，节点将保持其目前的lock状态不变（即如果已经lock了，则继续lock，否则，继续保持unlock的状
态），并且 precommit nil。

Precommit 阶段的结束条件为：

收到任何+2/3 的 precommit 投票后等待一段时间：timeoutPrecommit，如果该时间内收到针对nil的+2/3的precommit 投票，则相当于没有共识出有效区块，立即转到Propose(H,R+1)；

否则，如果超时后也没有收到针对特定 block 的+2/3 的 precommit 投票，则相当于也没有共识出
有效区块，转到Propose(H,R+1)。

公共退出条件

4、Commit 阶段 (height:H)

这一个阶段中，节点尝试对区块进行commit:

首先设置CommitTime = now()

然后，节点等待接收完整的、将要 commit 的区块，然后转到 NewHeight(H+1) 阶段。

5、NewHeight 阶段 (height:H)

在这一阶段，节点最终完成整个共识过程的最后环节，使链的高度增加一个区块，具体步骤为：

置LastCommit=Precommits（即+2/3的Precommit 投票的集合）；

增加区块高度，将共识出的新区块添加到链上；

置StartTime = CommitTime+timeoutCommit；

等待直到StartTime，以便接收延迟的commits.

最后，转到 Propose(H,0)，开始新的高度上的区块的共识。注意，此时round的编号又从0开始。

以上即为Tendermint共识算法的主要流程，其状态机概览如下：

3. Background Gossip

前面已经提到，系统中节点分为参与共识的validator节点和普通的非validator节点。后者虽然不参与共识，但是通过gossip协议，这些非validator节点会帮助转发相关的元数据、提议的区块信息、其他区块的信息，以及投票信息等。

所有的节点都保存相应的共识状态信息，如当前的 height, round 和 step 等，系统据此进行工作。

节点之间经由Connection进行连接，同时，Connection由多个channel构成。节点之间就是基于其中的一些channel来运行gossip协议，使得各节点同步到当前最新的共识状态。

以下为Tendermint系统中gossip协议的一些特性：

节点相互gossip proposed block的PartSet包含的不同数据包，并且基于LibSwift 优化数据传输，提升速
度;

节点相互gossip prevote/precommit 投票；

节点相互gossip其知晓的PoLC的prevote投票；

节点向高度落后的节点gossip落后的区块的commits；

节点时不时地gossip HasVote消息到其连接的 peer 节点以告知其已收到的投票信息；

节点向邻近节点广播其当前的state