万纳链（Venachain）是万向区块链基于PlatONE底层开源平台，针对企业级客户和开发者在数字化转型过程中的实际需求，推出的自主可控的高性能联盟链，已通过中国电子标准化研究院的功能与性能双项测试。依托万向区块链丰富的技术与生态资源，万纳链具备出色的关联技术耦合能力，通过与隐私计算、物联网、知识图谱等技术融合，引航分布式认知技术的创新和实践。同时，结合团队出色的机制设计能力，万纳链旨在为实体经济的数字化转型打造可信数字底座，为企业级客户和开发者提供隐私安全、性能优越、一键部署、功能丰富的综合解决方案。
我们将通过一系列技术科普文章，帮助大家了解万纳链的技术特点和操作方法。今天我们一起来了解万纳链的共识算法——Iris共识算法。
本文作者：万向区块链通用架构技术部
概述
Venachain 中的共识为高度优化的BFT类共识算法，其容错率为1/3，在保留即时确认（instant finality）的关键特性的同时,极大地提高了去中心化的程度。共识可以保证上链的区块是确定的，也就是说链不会出现分叉，同时每一个有效的区块都会插入到链上。
Venachain 的共识支持超过100个共识节点。相对于其他一些常见的BFT共识，Venachain 的共识的性能有显著的提升。在10个共识节点的情况下，TPS 接近 1000。
Venachain 的共识运行的相关参数可以灵活地进行配置，并且 Venachain 的共识中的共识节点集合可以灵活地进行更新。近期计划支持共识的插件化，以及共识的可审计性等。
Venachain 共识是在 round 上进行的。在特定的 round 上，通过预先设置的策略选取一个出块者节点。出块者节点的选取策略目前支持两种: round robin 和 sticky proposer。
出块者节点提议区块后，各共识节点进行共识。共识分三阶段，其中后两个阶段为投票阶段，用以保证 Safety。Venachain 共识使用 round change 机制结合锁定和解锁机制来保证共识的的 liveness。通过优化解锁机制，解决了业界多个知名项目内存在的共识死锁问题。
Venachain 共识会为每一个链上的区块生成共识证明，也就是对于该区块的各共识节点的有效签名，因而区块可以进行自验证，同时也能支持轻节点。
区块中如果不包含交易，则称为空区块。Venachain 目前支持不出空区块，也就是上链的区块中都含有交易。不出空区块的机制可以有效地节省区块链占用的存储空间。
以下具体介绍 Venachain 中的共识算法。
共识节点选取机制
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节点的类型和状态
节点分为共识节点（validator）和观察员节点两种类型。对于共识节点来说，存在两种状态: 正常和隔离。只有处于正常状态的共识节点才可以参与共识和打包区块。
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共识节点的选取机制
节点管理（NodeManager）系统合约设计用于存储和管理节点信息。可以通过节点申请（NodeRegister）系统合约申请注册共识节点，审核通过后，申请节点的类型会更新为共识节点，更新后的节点信息存储在节点管理合约中，并且可被查询。
管理员可以根据需要更新共识节点的状态，来决定共识节点是否可以参加共识。
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共识节点集合的获取
链上每次产生新区块后，节点管理合约中最新的节点信息都会被读取，并且最新的共识节点集合会被保存下来，并被共识引擎读取和使用。
共识流程
正常流程
定义
以下是一些重要术语或概念的定义。
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+2/3： 超过 2/3. -
NEW ROUND： 新的round中会确定一个新的区块提议者（比如采用round robin算法），在新的round开始时，各共识节点等待接收PRE-PREPARE消息 -
PRE-PREPARED： validator节点接收到了PRE-PREPARE消息，同时广播PREPARE消息之后进入这种状态。之后，validator节点等待并接收+2/3的PREPARE或COMMIT消息。（注: 有的validator节点因锁定在提议区块上，会在收到PRE-PREPARE消息后直接广播COMMIT消息。因此，这里validator节点等待并接收PREPARE或COMMIT消息） -
PREPARED： validator节点接收到了+2/3的PREPARE消息，同时广播COMMIT消息之后进入这种状态。之后，validator节点等待并接收+2/3的COMMIT消息 -
COMMITTED： validator节点接收到了+2/3的COMMIT消息，进入到这种状态。此时，可以将提议的区块插入到区块链上了 -
FINAL COMMITTED： 新的区块成功上链后，validator节点进入到这种状态。此时，节点准备进入下一个round -
ROUND CHANGE： validator节点等待接收+2/3的、针对同一个提议round的ROUND CHANGE消息
选取proposer的规则
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Round robin 算法（目前采用的）
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Sticky proposer
共识流程（三阶段协议）
共识流程由三个阶段组成：PRE-PREPARE, PREPARE 和 COMMIT ，也称为三阶段协议。
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PRE-PREPARE阶段： 每次进入到一个新的round时，就会开始三阶段中的第一个阶段，即PRE-PREPARE阶段。在该阶段中， Proposer （区块提议者）节点生成一个提议区块，并广播给所有的validator节点。接着Proposer节点进入到PRE-PREPARED状态。其他validator 节点接收到有效的PRE-PREPARE消息后进入到PRE-PREPARED状态。 -
PREPARE阶段：在这一阶段，validator 节点广播PREPARE消息给其他validator 节点，并等待接收+2/3的有效的PREPARE消息从而进入到PREPARED状态。 -
COMMIT阶段：在这一阶段，validator 节点广播COMMIT消息给其他validator 节点，并等待接收+2/3的有效的COMMIT消息从而进入到COMMITTED状态。
以上三阶段完成后，整个共识流程就成功完成了。
状态迁移
下图描述了Venachain的共识流程的状态迁移过程。
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NEW ROUND->PRE-PREPARED：-
Proposer 从txpool中收集交易
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Proposer 生成一个提议区块并广播给其他validator节点，接着就进入到
PRE-PREPARED状态 -
每一个 validator 节点接收到满足如下条件的
PRE-PREPARE消息后，进入到PRE-PREPARED状态:-
提议区块来自于有效的proposer节点
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区块头有效
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提议区块的sequence（高度）和round和 validator 节点的当前状态一致
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Validator 节点广播
PREPARE消息给其他validator节点
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PRE-PREPARED->PREPARED：-
Validator 接收到
+2/3的有效的PREPARE消息，从而进入到PREPARED状态。有效的消息需要满足如下条件:-
sequence 和 round 相一致
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区块哈希一致
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消息来自于已知的validator节点
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Validator 节点在进入到
PREPARED状态后，广播COMMIT消息。
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PREPARED->COMMITTED：-
Validator 接收到
+2/3的有效的COMMIT消息，从而进入到COMMITTED状态。有效的消息需要满足如下条件:-
sequence 和 round 相一致
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区块哈希一致
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消息来自于已知的validator节点
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COMMITTED->FINAL COMMITTED：-
Validator 节点将
+2/3的commitment签名（committed seal）添加到区块头的extraData字段中，并尝试将区块插入到区块链中。 -
区块上链成功后， Validator 节点进入到
FINAL COMMITTED状态。
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FINAL COMMITTED->NEW ROUND：-
各 Validator 节点选取出一个新的 proposer 节点，并启动一个新的round定时器。
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Round change 机制
以下三种条件都会触发 ROUND CHANGE：
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Round change定时器超时触发
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无效的
PREPREPARE消息 -
区块上链失败
round change 的流程
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当一个validator节点检测到以上round change触发条件之一满足时，将会广播
ROUND CHANGE消息，其中包含要变更到的目标round数值，同时等待接收来自其他validator节点的ROUND CHANGE消息。目标round的数值基于以下条件选取:-
如果validator节点已经从其他peer节点接收到了
ROUND CHANGE消息，则从所有数量达到F + 1的ROUND CHANGE消息中包含的round数值中选取出最大的那个数值 -
否则，将目标round的数值设置为: 当前的round数值+1
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任何时候，如果一个validator节点接收到了
F + 1条含有相同的目标round数值的ROUND CHANGE消息，就会将该round数值和其自己的进行比较。如果接收到的数值更大，validator节点就再次广播ROUND CHANGE消息，而消息中的round数值和接收到的相同 -
一旦validator节点接收到了
2F + 1条带有相同round数值的ROUND CHANGE消息，则结束round change循环，确定出新的 proposer 节点，之后进入到NEW ROUND状态 -
触发validator节点退出round change循环的另外一个条件是其通过p2p同步机制同步到验证后的区块
区块锁定机制
锁定区块的触发条件
节点 锁定 在区块 B 、 round number R 的含义是指，当前节点 只能 对区块 B 的信息投 commit 票。 当一个节点收到了 +2/3 个对区块 B 的 PREPARE 投票后，进入 PREPARED 状态。此时，节点被锁定，等待接收其他节点的 commit 投票信息，锁定的round即当前round；
锁定区块的机制
除了共识起始阶段，当收到更高区块的同步数据时，或当前高度成功产生区块并达成共识时，锁定被状态重置为非锁定状态，并开始新一轮对更高区块共识。如未能在锁定期间收到 +2/3 个指定round和区块的 commit 投票，则触发 ROUND CHANGE 。并且，在特定场景下，原有锁定解锁机制还会出现死锁的情况，我们在代码层面也优化了相关的解锁实现。具体可参考「对Iris锁定解锁机制的优化」。
Consensus proof 目前的存储机制
区块上链前，每个validator节点需要收集 2F + 1 个committed seal以构成一个consensus proof（共识证明）。一旦validator节点接收到足够的committed seal，就会将其存储于区块头的 extraData 字段中IstabulExtra结构中 CommittedSeal 字段中，并重新计算 extraData 字段，然后将区块插入到区块链中。
Committed seal计算过程如下：
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Committed seal的计算：
每个validator节点使用其私钥对区块哈希级联上commit消息代码
COMMIT_MSG_CODE的结果进行签名，得到签名即为Committed seal:-
Committed seal：SignECDSA(Keccak256(CONCAT(Hash, COMMIT_MSG_CODE)), PrivateKey) -
CONCAT(Hash, COMMIT_MSG_CODE)： 将区块哈希和commit消息代码COMMIT_MSG_CODE进行级联 -
PrivateKey： 进行签名的validator节点的私钥
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上面提到的
extraData是区块头的一个字段，其数据组成为: EXTRA_VANITY | IRIS_EXTRA，其中|用以表示分隔EXTRA_VANITY和IRIS_EXTRA的固定的索引（不是一个实际的分隔字符）。 -
IrisExtra结构的类型定义如下：
type IrisExtra struct { Validators []common.Address //Validator addresses Seal []byte //Proposer seal 65 bytes CommittedSeal byte //Committed seal, 65 * len(Validators) bytes }
其中，各字段的含义如下：
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Validators： 参与共识的各validator节点的列表
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Seal： Proposer 节点对区块的签名，长度为65字节
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CommittedSeal： 用于存储validator节点收集到的committed seal列表