共识机制
Blockchain 节点使用共识引擎来商定区块链的状态。 本文涵盖了区块链系统的共识机制的基本要素：共识算法如何在Substrate框架中与运行时交互，以及框架所包含的几个共识引擎。
状态机和冲突
区块链的运行时就是一个 状态机。 它有一些内部状态，以及状态迁移函数，使得可以从当前状态迁移到未来状态。 在大多数运行时中，某个状态可以合法迁移到多个未来状态，但只能选择其中的一个进行迁移。
区块链必须对下述内容达成一致：
- 一些初始状态，叫做“创世区块”，
- 一系列状态迁移，每个迁移都称为“区块”，以及
- 一个最终(当前) 状态。
为了在转换之后对结果状态达成一致，区块链状态转换函数 里的所有操作必须是具备确定性的（ deterministic）。
排除冲突
在中心化系统中，中央服务器通过先后顺序从互斥的备选状态转换事务中进行选择，在冲突发生时选择第一个备选方案。 在去中心化系统中，（不同）节点可能会以不同的顺序看到交易，因此它们必须使用更加精心设计的方法来剔除交易。 更加复杂的是，区块链网络力求容错, 这意味着即使一些参与者不遵守规则，整个网络也应继续提供一致的数据。
区块链将交易分批纳入区块，并采取一些手段来选择由哪个参与者拥有提交区块的权力。 For example, in a proof-of-work chain, the node that finds a valid proof of work first has the right to submit a block to the chain.
Substrate 提供了几个区块生成算法，也允许您创建自己的算法：
- Aura (轮询调度)
- BABE (基于时隙)
- 工作量证明
分叉选择规则
As a primitive, a block contains a header and a batch of extrinsics. The header must contain a reference to its parent block such that one can trace the chain to its genesis. Forks occur when two blocks reference the same parent. 必须解决分叉，这样才能只保留一条规范链。
分叉选择规则是一个在区块链中选择应当被延续的“最佳”链的算法。 Substrate exposes this concept through the SelectChain Trait.
Substrate 允许你编写自定义分叉选择规则，或者从给定的规则中选择一个。 例如：
最长链规则
最长链规则简单来说，就是把最长的链作为最佳链。 Substrate provides this chain selection rule with the LongestChain struct. GRANDPA uses the longest chain rule for voting.
GHOST 规则
GHOST（The Greedy Heaviest Observed SubTree，贪婪最重可观察子树）规则是指从创世区块开始，每一个分叉都是通过递归地选择包含最多区块的分支来解决的。
生产区块
区块链网络中的一些节点可以生成新区块，该过程称为“创建区块”。 究竟哪个节点可以创建区块，取决于你使用什么样的共识引擎。 在中心化网络中，可以是由单个节点来创建所有的区块。但在完全无许可网络中，必须要使用一种算法来选择每个区块的创建者。
工作量证明
在类似比特币这样的工作量证明系统中，任何节点在任意时刻都可以生成区块，只要它成功解决了一个计算密集型难题。 解决难题需要花费CPU时间，因此矿工只能使用他们的计算资源来生成区块。 Substrate 提供一个工作量证明区块生成引擎。
时隙
基于时隙的共识算法必须包含一组已知的、允许生成区块的验证者的集合。 Time is divided up into discrete slots, and during each slot only some of the validators may produce a block. 指定哪些验证者可以创作区块的方法因共识引擎的不同而不同。 Substrate 提供 Aura 和 Babe，这两者都是基于时隙的区块生成引擎。
最终确定性
不管在什么系统中，用户都想知道他们的交易是什么时候确定完成的，区块链也一样。 在一些传统系统中，当收据交出或文件签名时，就是最终确定的了。
如果使用前述的区块创建模式和分叉选择规则，交易是永远不能最终确定的。 总是有机会出现一个更长的(或更重的) 链，从而回滚你的交易。 当然，在某个特定区块之上构建的区块越多，就越不可能回滚。 这样的话，采用适当的分叉选择规则的区块生成算法只提供了概率上的最终确定性。
当需要明确无误的最终确定性时，可以在区块链逻辑中添加一个最终确定性小工具。 固定验证人集合的成员为区块的最终性进行投票，当某个区块拥有足够数量的投票时，该区块将被视为是最终确定的。 在大多数系统中，这一阈值为2/3。 以这种方式确定的区块无法被回滚，除非采用像硬分叉这样的外部协调手段。
一些共识机制将区块生成和最终确定性组合在一起，就像这样：区块最终确定是区块生成流程的一部分，除非块
N已最终确定，否则新的N+1块无法创建。 但是 Substrate 分离了这两个过程，允许你使用任何具备概率上保证最终性的区块生成引擎，或者将其与一个最终确定性配件结合起来以具备完全的的最终确定性。
在使用最终确定性小工具的系统中，必须修改分叉选择规则以考虑最终确定性博弈的结果。 例如，节点应该选取包含有最近的最终确定区块的最长链，而不是简单地选择最长链。
Substrate中的共识
Substrate 框架配备了几个共识引擎，可以提供区块创建或者最终确定性。 本文简要概述了Substrate自身提供的共识引擎。 我们欢迎开发者提供自己的共识算法。
Aura
Aura provides a slot-based block authoring mechanism. 在Aura中，通过一组已知的权威成员来生成区块。
BABE
BABE also provides slot-based block authoring with a known set of validators. 在这些方面，它类似于Aura。 Unlike Aura, slot assignment is based on the evaluation of a Verifiable Random Function (VRF). Each validator is assigned a weight for an epoch. This epoch is broken up into slots and the validator evaluates its VRF at each slot. 当一个验证者在该时隙的VRF输出值小于它的权重时，就可以创建一个区块。
由于同一个时隙中可能有多个验证者能够生成区块，分叉在BABE中要比Aura更常见，即使在良好的网络条件下也是常见的。
Substrate的BABE实现也提供了一个备用机制，用于在某个时隙中没有验证者被选中的情形。 分配这些“次要”时隙使得 BABE 实现了恒定的区块时间。
工作量证明
Proof-of-work block authoring is not slot-based and does not require a known authority set. In proof of work, anyone can produce a block at any time, so long as they can solve a computationally challenging problem (typically a hash preimage search). The difficulty of this problem can be tuned to provide a statistical target block time.
GRANDPA
GRANDPA provides block finalization. 它有一个类似BABE的权威验证人集合。 然而 GRANDPA 并不生产区块； 它只是监听其它共识引擎（如上面讨论的三个引擎）所产生的区块。 GRANDPA validators vote on chains, not blocks, i.e. they vote on a block that they consider "best" and their votes are applied transitively to all previous blocks. 一旦超过 2/3 的 GRANDPA 验证人给某一个特定的区块投了票，这个区块就被视为是最终确定的。
与Runtime协作
我们已经描述了完全在 runtime 之外就可以正常工作的最简单的静态共识算法。 然而，许多共识引擎通过添加需要与 runtime 协作的特性而变得更强大。 这方面的例子包括难度可调整的工作量证明、验证人轮换的权威证明，以及基于质押权重的权益证明网络。
To accommodate these consensus features, Substrate has the concept of a DigestItem, a message passed from the outer part of the node, where consensus lives, to the runtime, or vice versa.
进一步学习
由于BABE和GRANDPA都将被用于Polkadot网络，Web3基金会提供了研究级别的算法介绍。
包括 GRANDPA 在内的完全最终性算法至少需要 2f + 1 个可靠节点， 其中 f 是错误或恶意节点的数量。 查看这些开创性的论文 Reaching Agreement in the Presence of Faults 或Wikipedia: Byzantine Fault，以了解更多的这些概念以及阈值的来源.
并非所有共识协议都定义了一个单一的、规范性的链。 有些协议在具有共同父节点的两个区块的状态变化不冲突时，可以验证directed acyclic graphs (DAG) 。