1 引言

HotStuff是基于View的的共识协议，View表示一个共识单元，共识过程是由一个接一个的View组成。在一个View中，存在一个确定leader来主导共识协议，并经过三阶段投票达成共识，然后切换到下一个View继续进行共识。假如遇到异常状况，某个View超时未能达成共识，也是切换到下一个View继续进行共识。

• View: 表示一个共识单元，共识过程是由一个接一个的View组成的，每个View中都有一个ViewNumber表示，每个ViewNumber对应一个Leader
• QC(quorum certificate): 表示一个被(n−f)个节点签名确认的数据包及viewNumber。比如，对某个区块的(n−f)个投票集合。
• prepareQC: 对于某个prepare消息，Leader收集齐(n−f)个节点签名所生成的证据（聚合签名或者是消息集合），可以视为第一轮投票达成的证据
• lockedQC: 对于某个precommit消息，Leader收集齐(n−f)个节点签名所生成的证据（聚合签名或者是消息集合），可以视为第二轮投票达成的证据。

2 HotStuff 算法思路

共识过程从新的leader节点收集非leader节点中的新视图消息开始。当leader已经从足够的非leader节点中收集了请求时，leader节点将开始一个新的视图并提出自己的状态转换请求，然后向其他节点发送一条prepare消息。接收到prepare消息后，系统中的其他节点将按照以下三个阶段验证其合法性并确认该消息：

1. Pre-Commit阶段：当leader节点收到当前提案的准备票时，它将其合并为准备仲裁证书，然后以预提交消息的形式将其广播给所有节点，这表明有足够的节点确认了状态转换请求。
2. Commit阶段：leader节点收到Pre-Commit投票后，将它们组合成precommitQC，并以commit消息的形式向所有节点广播；接收到该消息的副本可以锁定当前状态转换请求，以便即使在视图更改期间也可以达成共识决策。
3. Decide阶段：领导者收到提交投票后，将它们合并为commitQC。一旦leader节点已经组建了一个commitQC，它发出了一个决定消息到所有其他副本。收到确定消息后，副本将在已提交分支中执行状态转换并启动下一个视图。
   

2.1 Prepare阶段

每个View开始时，新的Leader收集由(n−f)个副本节点发送的NEW-VIEW消息，每个NEW-VIEW消息中包含了发送节点上高度最高的prepareQC(如果没有则设为空)。

• prepareQC可以看做是对于某个区块(n−f)个节点的投票集合，共识共识过程中第一轮投票达成的证据

Leader从收到的NewView消息中，选取高度最高的preparedQC作为highQC。因为highQC是viewNumber最大的，所以不会有比它更高的区块得到确认，该区块所在的分支是安全的。

Leader节点会在highQC所在的安全分支来创建一个新的区块，并广播proposal，proposal中包含了新的区块和highQC，其中highQC作为proposal的安全性验证。

其他节点（replica）一旦收到当前View对应Leader的Proposal消息，Replica会根据会 safeNode-predicate规则 检查Proposal是否合法。如果Proposal合法，Replica会向Leader发送一个Prepare-vote（根据自己私钥份额对Proposal的签名）。

Replica对于Proposal的验证遵循如下的规则:

• Proposal消息中的区块是从本机lockQC的区块扩展产生（即m.block是lockQC.block的子孙区块）
• 为了保证liveness, 除了上一条之外，当Proposal.highQC高于本地lockQC中的view_number时也会接收该proposal。

2.2 Precommit阶段

Leader发出proposal消息以后，等待(n−f)个节点对于该proposal的签名，集齐签名后会将这些签名组合成一个新的签名，以生成prepare-QC保存在本地，然后将其放入PRECOMMIT消息中广播给Replica节点。

• prepare-QC可以表明有(n−f)个节点对相应的proposal进行了签名确认。

2.3 Commit阶段

commit阶段与precommit阶段类似，也是Leader先收集(n-f)个precommit-vote，然后将其组合为precommit-QC,并将其放在COMMIT消息中广播。

当Leader收到当前Proposal的（n-f）个precommit-vote时，会将这些投票组合成precommit-QC，然后将其放入COMMIT消息中广播。

当Replica收到COMMIT消息时，会对其签名commit-vote，然后回复给leader。更为重要的是，在此时，replica锁定在precommitQC上，将本地的lockQC更新成收到的precommitQC.

Replica收到了commit消息，验证成功后，表示第二轮投票达成。此时Replica回复给Leader，并且保存precommitQC到lockedQC。

2.4 Decide阶段

当Leader收到了（n-f）个commit-vote投票，将他们组合成commitQC，广播DECIDE消息。

Replica收到DECIDE消息中的commitQC后，认为当前proposal是一个确定的消息，然后执行已经确定的分支上的交易。View-Number加1，开始新的阶段。

3 共识流水线

可以看出，HotStuff的三个确认阶段具有相同的结构：其他节点对消息进行投票，leader节点将这些投票组合起来并广播到其他节点。这些阶段可以统一表示并流水线化。因此，可以将不同的proposal的不同的阶段重合，然后服用每一轮的广播来完成这些重叠的proposal的阶段的变换。