GRANDPA共识原理：加密经济中的公平性与安全性

确定性 = 敲定 = 不可逆：不会出现“冲突”的情况

活性：有效交易最终必定会上链

冲突 = 分叉：非预期的分叉会导致双重支付等各种问题，是不安全的

GRANDPA要解决的问题：保证区块链的确定性。波卡将GRANDPA与BABE分成两个模块，BABE提供活性和概率的确定性，GRANDPA提供确定性。GRANDPA共识与BABE或者比特币的POW不同，BABE和比特币的POW是概率确定性，而GRANDPA共识要做到100%不可逆。之所以需要做到不可逆，因为波卡的跨链特性，需要保证跨链的交易一旦执行，绝不可能在原链上被撤销。

要解决这个问题还需要分别解决下面三个问题：

问题1：不要全部节点确认才成为不可逆的问题

因为我们没办法保证所有节点都会对某个块进行确认，毕竟网络波动的原因会一直存在，否则会极大影响效率。因此我们提出了各种BFT算法，在部分节点确认的情况下，保证网络的安全性。

这里会用到BFT 2次共识，之所以需要2次是因为：如上图，如果只有1次确认节点，会有2个块高度为101的区块成为了不可逆，造成“冲突”。不会立马成为commit，会先成为pre-commit，然后pre-commit经过2/3共识后才会成为commit，就根本没有任何情况能让2个N同时成为commit。

问题2：敲定过程中的大量网络传输的消耗问题

因为需要2次共识广播，所以GRANDPA的复杂度是O(n^2)，随着节点数量的增加，效率也会大幅下降，比如EOS虽然只有21个出块节点，但它敲定的时间大概需要3分钟左右，而波卡的目标是全网1000个节点。

因此GRANDPA不是对每个pre-commit块进行逐个投票，而是将过程分为预投票和预执行，对当前最高块进行投票，通过拆解区块结构，可以一次确认若干个块，极大提高敲定效率。

如下图，每个节点选出自己认为最高块，从而确定本轮新敲定的块。

问题3：出现意外或者恶意节点的问题

问题1和2中都只考虑理想的诚实节点的情况，但实际运行时可能会出现其他情况导致“冲突”，比如下图，当网络情况不好，导致两边的蓝色诚实节点无法同步，他们各自提交自己收到的区块，而当中的恶意节点对两边的提交都进行签名（双签），从而导致网络“冲突”。除此之外，大量节点离线也导致问题。

针对这类问题，GRANDPA具有一项称为“安全责任”的功能，即通过扣除节点抵押并将其从节点集中剔除，使验证者对违反安全性的行为负责。如果你想要重写一个之前的区块，除了需要能够控制超过2/3的节点外，你还需要承受这2/3节点的抵押被系统扣除的成本。

GRANDPA的缺点：GRANDPA最大的缺点是敲定时间的不确定性，Edgeware上线初期就出现过几个小时无法敲定区块的现象。不过任何设计都有代价，只能说这是GRANDPA追求节点数量（去中心化），必须付出的代价。

参考文献：

- Polkadot Consensus Part 2: GRANDPA - Polkadot共识第2部分: GRANDPA - GRANDPA Block Finality in Polkadot: An Introduction - Polkadot的区块最终确定性祖父协议GRANDPA：简介 - DPOS3.0+BFT为什么需要2次2/3共识

热点：公平虚拟币 dpos 比特共识币 nft共识 币圈共识