Polkadot共识第3部分：BABE

翻译：First.vip

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本文为Polkadot共识系列文章的第3部分。有关简介的内容，请参见第1部分，有关GRANDPA 的讨论，请参见第2部分。

区块链扩展盲分配（BABE）是一种区块生成机制，其灵感来自另一种PoS协议Ouroboros Praos。由于它可提供概率确定性，因此它可以单独使用，也可以与GRANDPA这样的确定性小工具结合使用。

BABE是一种基于slot（插槽）的算法。它把时间划分成若干个epoch（纪元），每个epoch再划分成若干个slot。在Polkadot中，每个slot的持续时间为6秒，这也是我们的目标出块时间。BABE将选择一个（或多个）区块创建者在每个slot中创建区块。

向这些slot分配区块创建者的其中一种方法就是通过简单轮流制。然而在循环模式中，攻击者总是能知道下一位创建者是谁，并可以使用该信息来协调发起攻击。而在理想情况下，应没人能够知晓该slot的创建者是谁，除非该创建者提供证据证明。

每个slot可以有主创建者和次创建者（或叫“slot领导者”）。slot主领导者是随机分配的。但由于函数是随机的，所以有时会出现有些slot没有领导者的情况。为了确保一致的出块时间，BABE使用循环系统来分配slot次领导者。

Slot主领导者

主领导者的分配基于可验证随机函数（VRF）的评估。关于区块链随机数的说法天花乱坠，简而言之，许多应用程序都依赖于随机数的生成，但是当所有链上操作都必须是确定的且可验证的时，就很难认定每个人都认可的随机性（而不是为了使生成器受益而进行的游戏）。

VRF会生成伪随机数及其正确生成的证明。其他VRF都将一些参数（包括私钥）作为输入。而我们的VRF则将epoch随机种子（事先通过所有节点认可）、slot编码和创建者私钥作为输入。由于节点不会拥有相同的私钥，所以每个节点都可以为每个slot生成唯一的伪随机值。

每个创建者要对每个epoch中每个slot的VRF进行评估。对于每个输出低于某个商定阈值的slot，验证者有权在该slot中创建区块。由于slot分配过程是随机的，因此可能会出现有些slot没有主领导者，或有些slot有多个主领导者的情况。接下来再说说如何处理这一问题。

Slot次领导者

为了处理空slot的问题，BABE使用了循环后退方式。每个slot都有次领导者。如果主领导者没有在slot开始时站出来，那么就由次领导者创建区块。这种后退方式将确保每个slot都有一个区块创建者，并有助于确保一致的出块时间。

将BABE与GRANDPA相结合

到目前为止，我们已经有可确定最终链的GRANDPA，以及可创建新块的BABE。由于单个slot可以有多个领导者，因此BABE的某些链也会产生分叉。

选择最佳延伸链的第一条规则很简单：BABE必须建立在由GRANDPA最终确定的那条链上。这是使用GRANDPA的要求之一。

使用GRANDPA的第二个更微妙要求是，区块生成算法必须能够选择“最佳”链。此属性使得BABE具有概率确定性（因此，你可以在不使用GRANDPA的情况下使用它）。

BABE中的最佳链就是由主领导者创建最多区块的那条链。

在BABE中，分叉十分常见。正如GRANPA一文所述，区块生成是O（n），这意味着创建者只需向所有人广播其区块，而不需要每个人都互发消息（就好比GRANDPA）。因此，并非每个人都对未最终确定的链看法一致（如图中黄色块）。

该系统使我们能够高效生成区块，并使GRANDPA进行最终确定。

那该依据谁的时钟？

我们根据时间分配slot，但我们没有单一的时间观念。每台计算机都有自己的时钟。我们不能使用中心化时间服务（称为NTP服务器），因为这会造成单点攻击。攻击者可以向NTP服务器发起攻击，可能切断它也可能夺取它的控制权，以达到更不道德的行为，比如向不同的节点发送不同的时间。

可以想象以下场景：

我收到你发来的信息，说现在是“8:42:00。”而我的时钟显示是8:42:03。那么有三种可能：

1.我们的时钟是同步的，网络传递你的消息只花了3秒钟。

2.实际上网络传递你的消息花了1秒钟。我们的时钟差了2秒钟。

3.你在骗我，你的时钟并不是这个时间。

现在假设我的时钟显示我8:41:59时收到了此信息。假如我相信你没有说谎，那么我就知道我们的时钟不同步，我必须把我的时钟往前调一点。但我仍然不知道通过网络传输需要花费多少时间，我也就不知道我们到底有多不同步。

而BABE则使用相对时间将slot编码与一台计算机的时钟对齐。当某节点收到一个区块时，它将检查接收时间和与该区块相关的slot编码。然后，它会将slot编码添加到每个区块上，并使用其数据中的中值来预测未来slot。请记住，验证者会预先知道要为其创建的slot编码，因此他们可以对此进行检查。

到目前为止，我们已经讨论了链是如何产生的（BABE）以及它们如何被最终确定（GRANDPA）。我们要解决的下一个问题是，如何使人们以正确的方式运行这些协议？本系列的最后一部分将讨论运行时如何为运行BABE和GRANDPA提供激励，以及发生错误时会有什么惩罚。

来源|波卡官方博客

翻译|头等仓Saline

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