ExonumTM是我们的开源私有
区块链框架。 今天，我们将告诉您他的共识算法是如何工作的。
图片： Bitfury为什么需要共识算法
在继续探讨Exonum
TM共识算法如何工作的故事之前，让我们先谈谈为什么区块链通常需要这些算法。
区块链是没有中央管理员的分布式系统。 为了就网络中的新区块（以及相应的交易）达成一致，网络参与者
使用特殊的共识算法。 共识任务是帮助点对点网络的对等点就其新状态应该如何达成共识-即选择区块链中的下一个区块。
为了保护区块链及其中存储的信息免受欺骗，这是必要的。 例如，针对俄罗斯铁路实施的基于Exonum
TM的区块链记录了有关汽车和火车零件操作的信息。 区块链可确保区块中数据的可靠性，从而使公司能够监控来自供应商的备件路线并及时发现假货。 我们将进一步介绍此情况和其他情况。
通过创建Exonum共识算法，我们解决了哪些任务
在开发Exonum
TM共识算法时，解决
节点的
拜占庭行为问题对于我们而言很重要。 拜占庭行为是指单个网络节点的恶意活动。 此类活动还可能包括节点失去与网络连接或脱机的情况。
早在80年代中期，
就证明了为确保分布式系统的稳定性，它应在部分同步的条件下工作。 同时，共识算法必须具有以下条件：
- 活力 -应该能够在任何给定时间接受新的障碍。
- 一致性 -所有网络节点上的事务数据库应相同。
- 抗审查性 -节点不应优先考虑任何事务或忽略它们。
对于具有已知参与者数量的网络，在部分同步下，抵抗拜占庭节点行为（
拜占庭容错 ，BFT）的共识算法模型
允许网络中不到1/3的恶意（拜占庭）参与者。
Exonum共识算法如何工作
Exonum
TM区块链中有三种类型的节点：验证器，审计器和轻客户端。 前者是共识算法的直接参与者，而后者则在网络上分配负载并控制验证器。 对于轻量级客户端，它们仅向网络参与者提供将交易发送到区块链的机会。 轻度客户和审计师不会直接参与共识算法，因此在本材料中我们将不再讨论它们。
验证者的任务是投票赞成在区块链中包含新块。 如上所述，即使所有节点中的三分之一是拜占庭，Exonum
TM网络也可以稳定运行。 因此，为了达成共识，该区块必须批准超过2/3的区块链网络节点。 并且该陈述可以在数学上得到确认。
假设网络具有诚实的节点验证者（诚实）和f拜占庭（有缺陷）。 然后，验证者的总数可以表示为N = h + f。 所有验证者都基于阈值规则来确定“优胜者”。
它说： 获胜者的票数必须大于或等于α* N ，其中α是从0到1的范围内的数。因此，当α> 1/2时，将获得绝对多数票。
投票结束时，每个验证人独立决定两位候选人中的哪一位获胜。 但是，如果验证者将自己的选票发送给其他投票者，则验证者可能无法决定谁投票。 如果拜占庭节点开始向网络的诚实成员发送不同候选人的选票，从而造成混乱，则会发生这种情况。
要排除类似情况，必须遵守两个条件：
- 诚实的验证者应该能够在没有拜占庭节点参与的情况下做出选择。 此条件由我们上面讨论的活动属性决定。 在数学上，它由以下不等式表示：h≥α*N。
- 经少数诚实验证人投票的候选人不能超过α* N的阈值。这由一致性标准决定。 条件表示为：[h / 2] + f <α* N，其中[h / 2]是数字h / 2的整数部分。
结果，我们得到以下不等式链：h> 2f，α> 2/3且N≥3f +1。因此，为了确认交易区块，它必须严格获得验证者票数的2/3以上。
接下来，让我们讨论一下验证者如何在Exonum
TM区块链中投票。 一般而言，该方案如下：
达成共识的过程始于以下事实：主节点-由单独的算法选择并定期更改-形成应添加到区块链的交易列表（提出
建议 ）。 然后，该列表在整个网络中广播到验证者节点。
验证程序检查收到的消息是否符合序列化格式。 如果记录了任何错误，则节点将完全忽略收到的消息。 例如，将区块添加到区块链中间或重新记录现有交易的建议将被忽略。 如果一切正常，投票阶段就开始了-验证者节点投票将区块添加到区块链，广播
预投票消息。
提案获得了验证者超过2/3批准的那个节点，失去了对其他验证者的提案进行投票的机会，因此无法更改其
提案 。 此状态称为
锁定证明 。
从验证器获得所需的投票数后，主节点将批准的交易记录在该块中，并广播特殊消息
precommit 。 它包含区块链
更新状态的哈希，并指示该节点已准备好将建议的区块添加到链中。 当大多数验证器以相似的
预提交消息（具有相同的哈希）进行响应时，该块将添加到区块链中。 达成共识，并对每个后续块重复该过程。
为了提高系统的稳定性，验证器会定期交换另外两个消息
-Request和
Block 。 如果节点缺少任何交易数据，则生成第一个。 第二个步骤是将有关事务块的信息传输到时间上落后的节点（例如，断开连接），以同步整个网络的操作。
为了评估Exonum
TM达成共识的可能性，我们在两种配置的基础上测试了区块链的运行：一个数据中心和多个地理分布的数据中心。 在测试过程中，针对不同数量的验证器，评估了TPS参数-每秒的事务数。 接下来，我们将提供区块链中网络性能变化的图表，用于处理加密货币（黑色图表）和时间戳（蓝色图表）。
在单个数据中心的情况下，TPS与验证者数量的关系
在多个数据中心的情况下，TPS与验证者数量的关系平均而言，根据网络配置，Exonum
TM区块链每秒能够处理2到13,000个事务。
已使用Exonum的地方
如今，Exonum
TM框架已在各种项目中使用。 去年夏天，我们与Technoprom一起为俄罗斯铁路
创建了一个特殊的市场。 Exonum
TM区块链记录了火车零件和每辆车的数据表的运行情况。 这样就可以跟踪来自官方供应商的所有备件的运动并检测伪造品。
我们还
启动了基于协同大学
的教育性区块链项目。 寄存器注册并存储有关学生成绩的所有信息：成绩，考试结果和文凭。 我们的同事认为，这种方法消除了更改教育文档的可能性，并有助于节省存档和认证。
即使在Exonum
TM的基础上
，我们也
实施了一系列试点项目，以加速软件的开发和发布。 我们来自工程组织Aricent的合作伙伴已经对框架进行了六个月的测试。 区块链软件开发方法提高了程序员的生产率和纠错速度。
我们与一群医疗公司一起
启动了另一个项目。 包括初创公司Insillico，他们在那里接受了深度培训以寻找新药。 ExonumTM将成为患者数据生态系统的核心。 该系统将简化临床试验，还有助于分析患者的病历和DNA。 结果，医生将能够更快地诊断疾病并开出更有效的治疗方案。
我们希望我们的区块链能够在其他任务和其他行业中找到应用。 我们目前正在努力在投票，拍卖和数字版权管理系统中实施Exonum TM 。 其中一些解决方案的演示可在Exonum TM官方网站上找到 。