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<a href="/2023/12/28/HotStuff%20%E5%8D%8F%E8%AE%AE%E7%9A%84%E7%90%86%E8%A7%A3/" class="post-title-link" itemprop="https://hzxgoforward.github.io/index.html">HotStuff 协议的理解</a>
</h1>
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<i class="fa fa-calendar-o"></i>
</span>
<span class="post-meta-item-text">发表于</span>
<time title="创建于：2023-12-28 18:04:54 / 更新于：19:54:31" itemprop="dateCreated datePublished" datetime="2023-12-28T18:04:54+08:00">2023-12-28</time>
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<span class="post-meta-item-text">分类于</span>
<span itemprop="about" itemscope itemtype="http://schema.org/Thing"><a href="/categories/%E5%85%B1%E8%AF%86%E5%8D%8F%E8%AE%AE/" itemprop="url" rel="index"><span itemprop="name">共识协议</span></a></span>
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<h1 id="hotstuff-协议的理解"><a class="markdownIt-Anchor" href="#hotstuff-协议的理解"></a> HotStuff 协议的理解</h1>
<h2 id="简介"><a class="markdownIt-Anchor" href="#简介"></a> 简介</h2>
<p>HotStuff是继 PBFT 之后 BFT 共识协议中又一里程碑。它具有更低的消息复杂度和更好的扩展性。它的优点如下：</p>
<ol>
<li>将共识节点之间完成一轮共识的消息复杂度降低到 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi mathvariant="script">O</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi mathvariant="script">n</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\mathcal{O(n)}</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathcal" style="margin-right:0.02778em;">O</span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">n</span><span class="mclose">)</span></span></span></span></span> 级别，其中 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>n</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">n</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.43056em;vertical-align:0em;"></span><span class="mord mathnormal">n</span></span></span></span> 表示消息的数量。与之相比，PBFT中共识节点完成一轮共识的消息复杂度是 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi mathvariant="script">O</mi><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi mathvariant="script">n</mi><mn mathvariant="script">2</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\mathcal{O(n^2)}</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1.064108em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathcal" style="margin-right:0.02778em;">O</span><span class="mopen">(</span><span class="mord"><span class="mord mathnormal">n</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.8141079999999999em;"><span style="top:-3.063em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight">2</span></span></span></span></span></span></span></span><span class="mclose">)</span></span></span></span></span> 级别。</li>
<li>将更换主节点的消息复杂度降低到 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi mathvariant="script">O</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi mathvariant="script">n</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\mathcal{O(n)}</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathcal" style="margin-right:0.02778em;">O</span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">n</span><span class="mclose">)</span></span></span></span></span> 级别。与之相比，PBFT中更换主节点的消息复杂度是 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi mathvariant="script">O</mi><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi mathvariant="script">n</mi><mn mathvariant="script">3</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\mathcal{O(n^3)}</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1.064108em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathcal" style="margin-right:0.02778em;">O</span><span class="mopen">(</span><span class="mord"><span class="mord mathnormal">n</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.8141079999999999em;"><span style="top:-3.063em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight">3</span></span></span></span></span></span></span></span><span class="mclose">)</span></span></span></span></span>。</li>
</ol>
<p>HotStuff 协议的第一个优点使得它具有更好的扩展性，即当共识组中共识节点数量线性增加时，节点间进行共识的消息复杂度仅仅是线性增加。做过分布式共识实验的都知道，当节点数量增加到 16 以上时，PBFT 协议的每秒处理交易的量（Transaction Per Second，TPS）会由比较明显的衰退，造成这一现象的主要原因是节点间通信消息的复杂度平方级上涨。但是 HotStuff 中节点数量增加时TPS 的衰减的更加缓慢一些。</p>
<p>HotStuff的第二个优点使得能够频繁的切换主节点，带来的好处是使得整个共识组中每个节点都能拥有排序的权力，这能打破主节点对排序权的垄断。与之相比，PBFT 协议中只有主节点出现故障时共识组才会更换主节点。</p>
<h2 id="关键概念和数据结构"><a class="markdownIt-Anchor" href="#关键概念和数据结构"></a> 关键概念和数据结构</h2>
<h3 id="关键概念"><a class="markdownIt-Anchor" href="#关键概念"></a> 关键概念</h3>
<p>HotStuff 有 3 个版本，分别使 Basic HotStuff、Chained HotStuff 以及 Event-driven HotStuff，下面分别介绍之。在介绍前，需要介绍一些关键概念。</p>
<p>本文将发起提议的节点称之为<strong>主节点</strong>，将其他节点称之为<strong>从节点</strong>，被排序的内容称之为<strong>命令</strong>。</p>
<h3 id="数据结构"><a class="markdownIt-Anchor" href="#数据结构"></a> 数据结构</h3>
<h4 id="node"><a class="markdownIt-Anchor" href="#node"></a> Node</h4>
<p>一个 node 对应一个提议（proposal），主要包含如下两部分内容：</p>
<ul>
<li>parent，它的前一个提议的哈希值。</li>
<li>cmd，该提议包含的命令。</li>
</ul>
<h4 id="qc"><a class="markdownIt-Anchor" href="#qc"></a> QC</h4>
<p><strong>QC</strong> 全称为 quorum certificate，是 HotStuff 中一个重要概念，翻译为足量的证书，QC 主要包含如下数据：</p>
<ul>
<li>type，该 QC 的命令类型。</li>
<li>view Number，视图编号，节点本地的视图用 <strong>CurView</strong> 表示。</li>
<li>node，我更愿意称之为提议，每个 node 包含两个内容：一条来自客户端的命令（cmd）以及它的前一个 proposal 的摘要（digest）。摘要实际上是数据的哈希值。</li>
<li>sig，由（n-f）个节点签名联合组成的一个门限签名，这个签名证明该证书被绝大多数节点认可。</li>
</ul>
<p>QC 的主要目的是作为一个可靠证明，表示当前 QC 中包含的命令以及提议被绝大多数节点接收。因为 QC 中的 sig 有 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>f</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">n-f</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.66666em;vertical-align:-0.08333em;"></span><span class="mord mathnormal">n</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span></span></span></span> 个节点的签名聚合而成，通过验证 QC 中的签名的合法性，就能知道该 QC 对应的提议是否被其他节点接受。</p>
<h4 id="msg"><a class="markdownIt-Anchor" href="#msg"></a> MSG</h4>
<p>主节点向其他节点发送的消息被称之为 MSG，MSG 主要包含如下数据：</p>
<ul>
<li>type，消息类型。</li>
<li>viewNumber，消息对应的视图编号。</li>
<li>node，消息对应的提议。</li>
<li>justify，实际其类型是一个 QC，文中将其称之为 justify。</li>
</ul>
<h4 id="votemsg"><a class="markdownIt-Anchor" href="#votemsg"></a> VoteMSG</h4>
<p>从节点向主节点的 MSG 进行投票时发送的消息，主要包含如下数据：</p>
<ul>
<li>MSG，主节点发送的消息内容本身。</li>
<li>partialSig，从节点对MSG 中 type、viewNumber 和 node 部分签名。</li>
</ul>
<h4 id="curview"><a class="markdownIt-Anchor" href="#curview"></a> curView</h4>
<p>curView 表示每个节点本地的视图，它是一个局部变量，不同的节点之间的视图编号会有所不同。</p>
<h4 id=""><a class="markdownIt-Anchor" href="#"></a> ⊥</h4>
<p>⊥ 符号在 HotStuff 的论文中经常出现，表示空值的含义。</p>
<h2 id="basic-hotstuff"><a class="markdownIt-Anchor" href="#basic-hotstuff"></a> Basic HotStuff</h2>
<p>HotStuff的主要运行过程如下图所示。其中 R0 作为 leader，负责发起共识提议，R1、R2和R3负责投票。</p>
<img src="./image/HotStuff.png" alt="HotStuff" style="zoom:80%;" />
<h3 id="new-veiw"><a class="markdownIt-Anchor" href="#new-veiw"></a> New-Veiw</h3>
<p>HotStuff 中一轮新的共识开始，都是以主节点收集 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>f</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">n-f</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.66666em;vertical-align:-0.08333em;"></span><span class="mord mathnormal">n</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span></span></span></span> 个 <strong>NEW-VIEW</strong> 消息开始。</p>
<p>共识开始时， R1、R2和R3向新任的主节点发送一个 new-view 消息，<strong>NEW-VIEW</strong> 消息表示其他节点即将过渡到最新的一个视图中。**NEW-VIEW **中包含一个重要的内容，即 <strong>prepared QC</strong>。 prepare QC 是节点在执行共识算法过程中生成的，后续的步骤中读者自会知晓。</p>
<p>当主节点至少收到 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>f</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">n-f</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.66666em;vertical-align:-0.08333em;"></span><span class="mord mathnormal">n</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span></span></span></span> 个 prepare QC 后，从中选择出具有<strong>最高视图编号</strong>的 prepare QC，并以该 prepare QC 中的 node 作为父节点，并在该 node 之后创建一个新的 node，新的 node 中包含一条客户端的命令以及它的父 node 的哈希值。随后主节点将 prepare QC、node 等这些信息生成一条 <strong>PREPARE</strong> 消息中，然后将其广播给其他节点。<strong>PREPARE</strong> 消息的结构如下所示，分别表示消息的类型、视图编号、提议内容和 prepare QC。</p>
<p><strong>MSG= <PREPARE,CurView, NODE, PREPARE QC></strong></p>
<p>当从节点收到一条 <strong>PREPARE</strong> 消息后，开始进行检查，主要检查如下三项内容：</p>
<ol>
<li>该消息发送自当前视图编号对应的主节点，消息类型为 prepare，并且视图编号正确。</li>
<li>proposal 是 prepare QC 的子节点。</li>
<li><strong>safeNode</strong> 检查，内容如下：
<ol>
<li>proposal 是节点本地 locked QC 的子节点，<strong>安全性规则</strong>。</li>
<li>prepare QC 的视图编号大于 locked QC 的视图编号，<strong>活性规则</strong>。</li>
</ol>
</li>
</ol>
<p>当上述三项检查全部通过时，从节点向主节点发送一条投票消息 （<strong>VoteMSG</strong>）。</p>
<p>与 prepare QC 相同， locked QC 也是节点在执行共识过程中生成的，后续步骤中读者自会知晓。</p>
<h2 id="pre-commit"><a class="markdownIt-Anchor" href="#pre-commit"></a> PRE-COMMIT</h2>
<p>当主节点至少收到 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>f</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">n-f</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.66666em;vertical-align:-0.08333em;"></span><span class="mord mathnormal">n</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span></span></span></span> 个 VoteMSG 时，将这些所有消息的 partialSig 部分进行聚合后形成一个门限签名，以此构建一个 QC，它的 type 为 commit，因而称之为 commit QC，随后主节点构建一个 <strong>PRE-COMMIT</strong> 消息，该消息内容如下：</p>
<p><strong>MSG = <PRE-COMMIT, CurView,NODE = None, commitQC></strong></p>
<p>主节点将该消息广播给所有节点。</p>
<p>从节点收到该消息后，进行如下检查：</p>
<ol>
<li>该消息发送自当前视图编号对应的主节点，消息类型为 pre-commit，并且视图编号正确。</li>
<li>消息中 QC 的类型为 prepare，并且其视图编号为当前视图编号。</li>
</ol>
<p>当通过上述检查时，从节点本地记录 <strong>prepare QC = MSG.QC</strong>。</p>
<p>此外，从节点还会生成一个 <strong>VoteMsg</strong> 并发送给主节点，其内容如下：</p>
<p><strong>VoteMSG=<MSG, partial sig></strong></p>
<h3 id="commit"><a class="markdownIt-Anchor" href="#commit"></a> COMMIT</h3>
<p>当主节点收到至少 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>f</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">n-f</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.66666em;vertical-align:-0.08333em;"></span><span class="mord mathnormal">n</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span></span></span></span> 个 VoteMSG 时，将这些所有消息的 partialSig 部分进行聚合后形成一个门限签名，以此构建一个 QC，它的 type为 pre-commit，因而称之为 precommit QC。随后主节点向从节点广播一条 <strong>COMMIT</strong> 消息，该消息内容如下：</p>
<p><strong>MSG=<COMMIT, CurView, NODE = None, precommit QC></strong></p>
<p>当从节点收到主节点的 <strong>COMMIT</strong> 消息后，进行如下检查：</p>
<ol>
<li>该消息发送自当前视图编号对应的主节点，消息类型为 commit，并且视图编号正确。</li>
<li>消息中 QC 的类型为 pre-commit，并且其视图编号为当前视图编号。</li>
</ol>
<p>当通过上述检查时，从节点本地记录 <strong>locked QC = MSG.QC</strong>。</p>
<p>此外，从节点还会生成一个 <strong>VoteMsg</strong> 并发送给主节点,其内容如下：</p>
<p><strong>VoteMSG=<MSG, partial sig></strong></p>
<h3 id="decide"><a class="markdownIt-Anchor" href="#decide"></a> DECIDE</h3>
<p>当主节点收到至少 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>f</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">n-f</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.66666em;vertical-align:-0.08333em;"></span><span class="mord mathnormal">n</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span></span></span></span> 个 VoteMSG时，将这些所有消息的 partialSig 部分进行聚合后形成一个门限签名，以此构建一个 QC，它的 type 为 commit QC，以内称之为 commit QC。随后主节点向从节点广播一条 <strong>DECIDE</strong> 消息，该消息内容如下：</p>
<p><strong>MSG=<DECIDE, CurView, NODE = None, commit QC></strong></p>
<p>当从节点收到主节点的 <strong>DECIDE</strong> 消息后，进行如下检查：</p>
<ol>
<li>该消息发送自当前视图编号对应的主节点，消息类型为 decide，并且视图编号正确。</li>
<li>消息中 QC 的类型为 commit，并且其视图编号为当前视图编号。</li>
</ol>
<p>当通过上述检查时，节点开始执行 QC 中对应的 node 的命令。与此同时，节点本地的当前视图编号自增一（<strong>++curView</strong>），随后向下一任主节点发送 <strong>NEW-VIEW</strong> 消息以开启下一轮共识，它的消息内容如下：</p>
<p><strong>MSG=<NEW-VIEW, curView，⊥，prepare QC></strong></p>
<h2 id="chained-hotstuff"><a class="markdownIt-Anchor" href="#chained-hotstuff"></a> Chained-HotStuff</h2>
<p>可以发现，Basic HotStuff 中主节点在提议阶段主要作用是构建新的提议并选择最新的 QC，其他阶段主要作用是组合新的 QC 并广播给其他节点，那么为什么不令主节点在每个阶段都做出一个新的提议呢？基于这个思路，就产生了链式的 HotStuff，即文中的 Chained-HotStuff。在 Chained-HotStuff 中不再区分每个阶段的 QC ，而是统一称之为 Generic QC。主要运行过程按照角色划分，主要过程如下：</p>
<h4 id="主节点"><a class="markdownIt-Anchor" href="#主节点"></a> 主节点</h4>
<p>根据从节点的投票信息，从中选择出视图编号最大的 QC，在此 QC 之后创建一个新的提议消息并广播给其他节点，消息类型如下：</p>
<p><strong>MSG=<GENERIC, CurView, NODE, GENERIC QC></strong></p>
<h4 id="从节点"><a class="markdownIt-Anchor" href="#从节点"></a> 从节点</h4>
<p>从节点收到 <strong>GENERIC</strong> 消息之后，检查如下信息：</p>
<ol>
<li>消息类型为 <strong>GENERIC</strong> ，并且其视图编号和本地视图编号一致并且来自于对应的主节点。</li>
<li>使用 SAFENode 规则验证当前提议NODE 和 NODE 的父节点的正确性，如果通过，则向下一个视图的主节点发送投票消息 <strong>VOTEMSG=<MSG, partialSig></strong>。</li>
<li>沿着其中的链式规则，找到一系列的提议 b->b’->b‘’->b*，进行如下验证和处理：
<ol>
<li>如果 b* 的父节点是 b“，那么记录 prepare QC = b*.justify</li>
<li>如果 b* 的父节点是 b“ 并且 b’‘ 是 b‘ 的父节点，那么记录 locked QC = b’.justify</li>
<li>如果 b* 的父节点是 b“ 并且 b’‘ 是 b‘ 的父节点并且 b 是 b‘ 的父节点，那么执行 b.justify 中的提议，并且向客户端返回执行结果。</li>
</ol>
</li>
</ol>
<h4 id="view-change"><a class="markdownIt-Anchor" href="#view-change"></a> View-Change</h4>
<p>在等待消息期间，如果发生超时，节点本地视图 curView 自增，随后向对应的主节点发送 <strong>NEXT-VIEW</strong> 消息，内容如下：</p>
<p><strong>MSG=<GENERIC, CurView, NODE=none, GENERIC QC></strong></p>
<h2 id="说明"><a class="markdownIt-Anchor" href="#说明"></a> 说明</h2>
<ol>
<li>每个特定的视图编号下最多确认一个提议。因为当一个提议被确认时视图编号就会加一，当某个视图下没有达成共识时引起超时，此时视图继续增加一。</li>
<li>prepare QC 表示一条命令处于<strong>准备</strong>状态，并且这个准备状态已经被绝大多数节点承认。它的主要作用在发生 view-change 时，令新任的主节点在最新的处于准备状态的命令的基础上进行提议，这样能最大化利用前任主节点的共识工作。但是由于处于准备状态，这条命令也可能会被新任主节点作废。locked QC 表示指令处于<strong>锁定</strong>状态。锁定状态表示该指令已经被锁定为下一个需要执行的指令，它一定会绝大多数节点执行。</li>
</ol>
<h2 id="qa-环节"><a class="markdownIt-Anchor" href="#qa-环节"></a> Q&&A 环节</h2>
<ol>
<li>
<p>为什么 new-view 中使用 prepare QC 作为切换视图的依据，locked QC 可以吗？</p>
<p>locked QC 是完全可以的，因为当一个 node 具有 locked QC 时，那么必然有 prepare QC，因此，使用 locked QC 也可以作为 new-view 中的根据。</p>
</li>
<li>
<p>在切换视图时，为什么使用 prepare QC 而没有使用 locked QC 呢？</p>
<p>使用 prepare QC 能够最大化利用被替换的主节点在共识过程中做的工作。节点本地存储的locked QC 和 prepare QC 有两种可能的情况：</p>
<ol>
<li>locked QC 和 prepare QC 指向同一个提议。</li>
<li>locked QC 指向提议 A，prepare QC 指向提议 B。此时提议 B 必然是提议A 的一个子孙提议，区别是 A已经被共识<strong>锁定</strong>，但是 B 没有被共识<strong>锁定</strong>。如果在 new-view 消息中使用 locked QC，那么新任主节点的新提议会废掉提议 A。实际上，因为 A 已经获得 prepare QC，那么在 B 的基础上继续提议是更好的选择。需要说明的是，实际上，如果主节点执意选择在 locked QC，即 A 处进行新的提议 B‘，其他节点也会接受这一提议，因为新的提议也能通过 safeNode 函数的检查。因为新的提议 B’ 也是绝大多数节点 locked QC（也就是A）的子节点。</li>
</ol>
<p>综上，使用 prepare QC 能够最大化利用前任主节点的共识工作。</p>
</li>
<li>
<p>为什么 HotStuff 中 commit 步骤之后可以达到和 PBFT 中 commit 步骤相同的作用，那么为什么 HotStuff 中还会额外增加 decide 步骤呢？</p>
<p>这一步骤的作用是降低 HotStuff 中 new-view 消息的复杂度，也正是这一步骤，将 HotStuff 中更换主节点的消息复杂度降低到了 O(n) 级别。</p>
<p>假设我们去掉 decide 阶段，并且令节点在 commit 阶段收到主节点的 commit 消息之后，不再继续向主节点发送 commit-vote 消息，而是直接执行该命令。</p>
<p>现在考虑一种场景，假设视图编号为 v 的主节点是拜占庭节点，它将 commit 消息只发送给 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>f</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><annotation encoding="application/x-tex">f-1</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.64444em;vertical-align:0em;"></span><span class="mord">1</span></span></span></span> 个节点，这 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>f</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">f</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span></span></span></span> 个节点（主节点和 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>f</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><annotation encoding="application/x-tex">f-1</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.64444em;vertical-align:0em;"></span><span class="mord">1</span></span></span></span>个节点）更新了 locked QC，并且执行 commit 消息对应的命令。</p>
<p>随后出现超时， HotStuff 中节点向下一任主节点发送 <strong>NEW-VIEW</strong> 消息，每个节点发送最新的 prepare QC，其中<span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>f</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">f</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span></span></span></span>个节点发送视图编号为 v 的prepare QC，<span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>f</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">n-f</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.66666em;vertical-align:-0.08333em;"></span><span class="mord mathnormal">n</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span></span></span></span> 个节点发送视图编号为 v-1 的 prepare QC。</p>
<p>新任主节点在收到 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>f</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">n-f</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.66666em;vertical-align:-0.08333em;"></span><span class="mord mathnormal">n</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span></span></span></span> 个 new-view 消息后从中选择出 prepare QC 中视图编号最大的一个 QC，随后在这个 QC 后生成新的 proposal，并将其放入 <strong>PREPARE</strong> 消息广播给其他节点。需要注意的是，<strong>PREPARE</strong> 消息只包含主节点挑选的视图编号最大的 QC而并非 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>f</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">n-f</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.66666em;vertical-align:-0.08333em;"></span><span class="mord mathnormal">n</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span></span></span></span> 个 QC。<strong>PREPARE</strong>消息中的 QC 到底是不是 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>f</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">n-f</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.66666em;vertical-align:-0.08333em;"></span><span class="mord mathnormal">n</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span></span></span></span> 个 new-view 消息中视图编号最大的 QC 是没有办法证明的。</p>
<p>从全局视角看，视图编号最大的 prepare QC 的视图编号为 v，但是主节点可以选择视图编号为 v-1 的一个 prepare QC。此时该主节点在视图编号为 v-1的QC后面提出一个新的提议，然后构建一个 <strong>PREPARE</strong> 消息（该消息的视图编号是 v+1）后广播给其他节点。其中最大prepare QC 的视图编号为 v 的<span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>f</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">f</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span></span></span></span> 个节点会拒绝投票（safeNode 函数中安全规则无法通过），但是剩余的 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>f</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">n-f</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.66666em;vertical-align:-0.08333em;"></span><span class="mord mathnormal">n</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span></span></span></span> 个最大视图编号为 v-1 的节点会接收这一提议。这就造成不一致，即 HotStuff 更换主节点的方法会导致 commit 阶段执行命令时会出现系统安全性问题。</p>
<p>因此，解决办法有两种（任选其一）：</p>
<ol>
<li>增加一个 decide 阶段，保证一个命令被执行前，绝大多数节点都会锁定该命令，即绝大多数的节点的 locked QC 都是该命令。在 HotStuff 中的 decide 阶段，节点收到 commit QC 时，可以确认绝大多数节点的 locked QC 都是该命令，那么就可以安全的执行该命令,这种方法的弊端是，一条命令的确认时间增加了一个round tripe。</li>
<li>在主节点的 <strong>PREPARE</strong> 中附带上 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>f</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">n-f</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.66666em;vertical-align:-0.08333em;"></span><span class="mord mathnormal">n</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222222222222222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8888799999999999em;vertical-align:-0.19444em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.10764em;">f</span></span></span></span> 个 prepare QC 以方便从节点验证主节点挑选出来的视图编号最大的 QC 确实是全局视角下视图编号最大的 QC，但是这种方法带来的弊端就是 <strong>PREPARE</strong> 消息的复杂度直接变为 <span class="katex"><span class="katex-mathml"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi mathvariant="script">O</mi><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi mathvariant="script">n</mi><mn mathvariant="script">2</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\mathcal{O(n^2)}</annotation></semantics></math></span><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1.064108em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathcal" style="margin-right:0.02778em;">O</span><span class="mopen">(</span><span class="mord"><span class="mord mathnormal">n</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.8141079999999999em;"><span style="top:-3.063em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight">2</span></span></span></span></span></span></span></span><span class="mclose">)</span></span></span></span></span> 。</li>
</ol>
<p>在 HotStuff 中选择了第一种解决办法，因为命令确认额外增加的时间延迟，可以通过chained-HotStuff 比较好的解决。</p>
</li>
<li>
<p>HotStuff 中的 pacemaker 具体是如何工作的？</p>
</li>
</ol>
<h1 id="参考资料"><a class="markdownIt-Anchor" href="#参考资料"></a> 参考资料</h1>
<ol>
<li><a target="_blank" rel="noopener" href="https://arxiv.org/pdf/1803.05069.pdf">HotStuff arxive 论文</a></li>
<li></li>
</ol>
<p>共识协议需要确定的若干个步骤</p>
<ol>
<li>
<p>确定新提议是什么?</p>
</li>
<li>
<p>发现有足够节点确定了新提议后,<strong>预先提交</strong>下一个提议(局部)</p>
</li>
<li>
<p>有足够多的节点<strong>预先提交</strong>了新提议,<strong>正式提交</strong>新提议(局部)</p>
</li>
<li>
<p>有足够多的节点正式提交新提议,确定新协议被确认(全局)</p>
</li>
<li>
<p>L-BFT 协议为什么需要view-change?</p>
<ol>
<li>主节点出现故障时,必须从已有的节点中选择出最新的 主节点以保证共识能够继续。</li>
</ol>
</li>
<li>
<p>view-change 时最新的 leader 应该在哪个状态的基础上再次进行共识？</p>
<ol>
<li>假设通过投票确定最新的 leader，那么应该以投票信息中所有节点的<strong>最新状态</strong>为准，这样能够避免最新 leader 推翻前任 leader 的共识结果。</li>
<li><strong>最新状态</strong>应该是可验证的，例如每个节点投票新 leader 时，将本地最新的 2f+1 个 prepare 消息发送给新的 leader。</li>
</ol>
</li>
<li>
<p>view-change 时需要注意的点</p>
<ol>
<li>view-change 的时候，一定不能回滚已经确认的共识消息。</li>
</ol>
</li>
</ol>
</div>
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<div class="post-eof"></div>
</footer>
</div>
</article>
<article class="post post-type-normal" itemscope itemtype="http://schema.org/Article">
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</span>
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<h1 class="post-title" itemprop="name headline">
<a href="/2023/07/02/%E4%B8%BB%E6%B5%81%E7%9A%84%E5%85%AC%E9%93%BE%E4%B8%AD%E7%BD%91%E7%BB%9C%E6%9E%84%E5%BB%BA%E5%92%8C%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%88%86%E5%8F%91%E8%BF%87%E7%A8%8B/" class="post-title-link" itemprop="https://hzxgoforward.github.io/index.html">未命名</a>
</h1>
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<span class="post-time">
<span class="post-meta-item-icon">
<i class="fa fa-calendar-o"></i>
</span>
<span class="post-meta-item-text">发表于</span>
<time title="创建于：2023-07-02 22:23:12" itemprop="dateCreated datePublished" datetime="2023-07-02T22:23:12+08:00">2023-07-02</time>
<span class="post-meta-divider">|</span>
<span class="post-meta-item-icon">
<i class="fa fa-calendar-check-o"></i>
</span>
<span class="post-meta-item-text">Edited on</span>
<time title="更新于：2023-07-03 00:26:03" itemprop="dateModified" datetime="2023-07-03T00:26:03+08:00">2023-07-03</time>
</span>
</div>
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<div class="post-body" itemprop="articleBody">
<h1 id="主流的公链种网络构建和数据分发过程"><a class="markdownIt-Anchor" href="#主流的公链种网络构建和数据分发过程"></a> 主流的公链种网络构建和数据分发过程。</h1>
<p>名称定义</p>
<p><strong>共识节点</strong>：参与共识并生成新区块后扩展区块链的节点，又称之为<strong>验证节点</strong>。</p>
<p><strong>全节点</strong>：不参与共识，但是会跟踪和验证账本数据并存储完整区块链数据的节点。</p>
<h2 id="aptos"><a class="markdownIt-Anchor" href="#aptos"></a> Aptos</h2>
<h2 id="near"><a class="markdownIt-Anchor" href="#near"></a> Near</h2>
<p><a target="_blank" rel="noopener" href="https://near.org/developers">near.org/developers</a></p>
<h2 id="sui"><a class="markdownIt-Anchor" href="#sui"></a> SUI</h2>
<h2 id="节点发现以及入网过程"><a class="markdownIt-Anchor" href="#节点发现以及入网过程"></a> 节点发现以及入网过程</h2>
<p>节点启动时有一个配置文件 fullnode.yaml 文件，该文件中指定节点进入 Testnet 还是 Mainnet。配置文件中还指定了种子节点的信息。例如如果进入主网时种子节点的信息为：</p>
<figure class="highlight shell"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br><span class="line">8</span><br><span class="line">9</span><br><span class="line">10</span><br><span class="line">11</span><br><span class="line">12</span><br><span class="line">13</span><br><span class="line">14</span><br><span class="line">15</span><br><span class="line">16</span><br><span class="line">17</span><br><span class="line">18</span><br><span class="line">19</span><br><span class="line">20</span><br><span class="line">21</span><br><span class="line">22</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">p2p-config:</span><br><span class="line"> seed-peers:</span><br><span class="line"> - address: /dns/icn-00.mainnet.sui.io/udp/8084</span><br><span class="line"> peer-id: 303f1f35afc9a6f82f8d21724f44e1245f4d8eca0806713a07c525dadda95a66</span><br><span class="line"> - address: /dns/icn-01.mainnet.sui.io/udp/8084</span><br><span class="line"> peer-id: cb7ce193cf7a41e9cc2f99e65dd1487b6314a57c74be42cc8c9225b203301812</span><br><span class="line"> - address: /dns/mel-00.mainnet.sui.io/udp/8084</span><br><span class="line"> peer-id: d32b55bdf1737ec415df8c88b3bf91e194b59ee3127e3f38ea46fd88ba2e7849</span><br><span class="line"> - address: /dns/mel-01.mainnet.sui.io/udp/8084</span><br><span class="line"> peer-id: bbf3be337fc16614a1953da83db729abfdc40596e197f36fe408574f7c9b780e</span><br><span class="line"> - address: /dns/ewr-00.mainnet.sui.io/udp/8084</span><br><span class="line"> peer-id: c7bf6cb93ca8fdda655c47ebb85ace28e6931464564332bf63e27e90199c50ee</span><br><span class="line"> - address: /dns/ewr-01.mainnet.sui.io/udp/8084</span><br><span class="line"> peer-id: 3227f8a05f0faa1a197c075d31135a366a1c6f3d4872cb8af66c14dea3e0eb66</span><br><span class="line"> - address: /dns/sjc-00.mainnet.sui.io/udp/8084</span><br><span class="line"> peer-id: 6f0b25087cd6b2fd2e4329bcf308ac95a37c49277dd7286b72470c124809db5b</span><br><span class="line"> - address: /dns/sjc-01.mainnet.sui.io/udp/8084</span><br><span class="line"> peer-id: af1d5d8468b3612ac2b6ff3ca91e99a71390dbe5b83dea9f6ae2da708d689227</span><br><span class="line"> - address: /dns/lhr-00.mainnet.sui.io/udp/8084</span><br><span class="line"> peer-id: c619a5e0f8f36eac45118c1f8bda28f0f508e2839042781f1d4a9818043f732c</span><br><span class="line"> - address: /dns/lhr-01.mainnet.sui.io/udp/8084</span><br><span class="line"> peer-id: 53dcedf250f73b1ec83250614498947db00d17c0181020fcdb7b6db12afbc175</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>SUI 中全节点入网时，每个从 seed 节点处获取网络中的节点，然后从中随机选择一些节点建立连接，基于这种方式进入网络。</p>
<h3 id="数据同步"><a class="markdownIt-Anchor" href="#数据同步"></a> 数据同步</h3>
<p>文件源码位置：<a target="_blank" rel="noopener" href="https://github.com/MystenLabs/sui/blob/main/crates/sui-network/src/state_sync/mod.rs">sui/crates/sui-network/src/state_sync/mod.rs at main · MystenLabs/sui · GitHub</a></p>
<p>数据类型：checkpoint 、transactions。</p>
<p>当共识层的 validator 产生一个 checkpoint 之后，调用 send_checkpoint 方法将最新状态发送给其他节点。</p>
<p>其他节点收到新的 checkpoint 之后，存储该信息后调用 spawn_notify_peers_of_checkpoint 函数将该信息通知给其他节点。通知的内容为 PeerStateSyncInfo，其结构如下。可以发现其中只包含 checkpoint 的摘要，最低的区块高度和最高的区块高度，但是并不包含 checkpoint 本身。</p>
<figure class="highlight rust"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br><span class="line">8</span><br><span class="line">9</span><br><span class="line">10</span><br><span class="line">11</span><br><span class="line">12</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="meta">#[derive(Copy, Clone, Debug, PartialEq, Eq)]</span></span><br><span class="line"><span class="keyword">struct</span> <span class="title class_">PeerStateSyncInfo</span> {</span><br><span class="line"> <span class="comment">/// The digest of the Peer's genesis checkpoint.</span></span><br><span class="line"> genesis_checkpoint_digest: CheckpointDigest,</span><br><span class="line"> <span class="comment">/// Indicates if this Peer is on the same chain as us.</span></span><br><span class="line"> on_same_chain_as_us: <span class="type">bool</span>,</span><br><span class="line"> <span class="comment">/// Highest checkpoint sequence number we know of for this Peer.</span></span><br><span class="line"> height: CheckpointSequenceNumber,</span><br><span class="line"> <span class="comment">/// lowest available checkpoint watermark for this Peer.</span></span><br><span class="line"> <span class="comment">/// This defaults to 0 for now.</span></span><br><span class="line"> lowest: CheckpointSequenceNumber,</span><br><span class="line">}</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>当一个节点收到其他节点最新 checkpoint 的消息时，检查其高度是否高于自身，如果高于自身高度，则开启状态同步过程。</p>
<p>此外，每个节点定期与邻居同步最新的 checkpoint 消息，如果发现自身落后，则请求区块。</p>
<h2 id="solana"><a class="markdownIt-Anchor" href="#solana"></a> Solana</h2>
<h3 id="reference-synchronization-solana-docs"><a class="markdownIt-Anchor" href="#reference-synchronization-solana-docs"></a> Reference: <a target="_blank" rel="noopener" href="https://docs.solana.com/cluster/synchronization">Synchronization | Solana Docs</a></h3>
<h1 id=""><a class="markdownIt-Anchor" href="#"></a> </h1>
</div>
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<div class="post-eof"></div>
</footer>
</div>
</article>
<article class="post post-type-normal" itemscope itemtype="http://schema.org/Article">
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<time title="创建于：2023-06-09 18:09:01" itemprop="dateCreated datePublished" datetime="2023-06-09T18:09:01+08:00">2023-06-09</time>
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