基于区块链拜占庭容错共识的Libra共识算法介绍

Facebook 近日公布的 Libra 白皮书引起各界持续关注，其网站公开的技术文档也被诸多专家审视。文档提到，Libra 区块链将使用基于拜占庭容错共识的「LibraBFT」共识算法，而 LibraBFT 则是「HotStuff」的一个变种。

Libra 区块链所采用的 LibraBFT 共识协议的技术论文

这个名为 HotStuff 的算法，究竟是怎样一种「尤物」呢？

顺藤摸瓜，我们发现，HotStuff 算法论文由云计算公司 VMWare 的研究团队发表，其安全性及可用性已经过完整的数学证明。论文作者有 5 人，分别为 Maofan Yin、Dahlia Malkhi、Michael K. Reite、Guy Golan Gueta、Ittai Abraham。

HotStuff 算法论文https://arxiv.org/pdf/1803.05069.pdf

其实「HotStuff」算法论文的第一作者尹茂帆（Ted Yin）是链闻的老朋友。今年仅仅 25 岁的尹茂帆本科毕业于上海交大，目前在美国康奈尔大学（Cornell）大学读博士学位，当前的主攻方向是分布式系统的基础研究，导师是著名计算机科学家 Emin Gun Sirer，另一导师是 Robbert van Renesse。尹茂帆也是另一个市场颇为瞩目的新项目 Ava Labs 的联合创始人和首席系统架构师。

在 Facebook 正式发布 Libra 白皮书之后，尹茂帆接受了链闻的专访，他为我们详解了 HotStuff 的奥妙。

首次进入分布式共识算法领域的人，很容易被一大堆名词绕晕。而深入钻研，你会发现这些名词背后有着各种各样的命名故事。比如 DLS 算法就是三位作者的缩写：Dwork、Lynch 和 Stockmeyer。而 PBFT 算法就是「实用拜占庭容错」的首字母缩写（PracTIcal ByzanTIne Fault Tolerance），BFT 自然就是「拜占庭容错」了（下文将统一使用 BFT）。那么，这个物种的新人 HotStuff 的名字到底怎么来的呢？

尹茂帆解释说，之所以取名为 HotStuff，是因为这个单词在英文里有三重意思：一是性感的人，一是炙手可热的好东西，一是某个动画里的小恶魔的名字。大家都知道，以太坊下一代共识算法 Casper 之名，也是来自一个动画角色。所以，HotStuff 可以和它相映成趣了。

在接受链闻采访时，尹茂帆灵机一动，把这个词的中文翻译为尤物。所以本文标题的尤物，可不是哗众取宠。尹茂帆说，尤物有两层意思，一是绝世美女，一是奇珍异宝。HotStuff 翻译成尤物，简直天造地设。

据介绍，HotStuff 已经在一个具有 100 多个副本的网络上进行过部署，超过了 BFT-SMaRt 的吞吐量，同时保持着与之相当的延迟，而在更为实际的测试中性能均超过后者。

和其他分布式系统的共识协议相比，HotStuff 到底有哪些优点呢？以下是链闻记者和尹茂帆的问答：

链闻：关于分布式系统的共识协议，大致可分为两类，一类是以比特币为代表的区块链算法（或者称为中本聪共识），一类是经典的 BFT 算法（如 DLS、PBFT）。两者在应用条件和性能方面，有哪些大的差异和优劣？

尹茂帆：两者的区别大致可以分为五个方面：1）成员信息；2）性能，包括吞吐量，延迟等；3）抗女巫攻击 （Sybil attack）——中本聪共识自带抗女巫攻击，而经典的 BFT 需要额外的 PoS 或者 PoW；4）可扩容性；5）安全性，即概率 vs 确定性。

中本聪共识的优点是，无需提前知道共识的所有参与者，不要求精确的成员信息。因为共识的一部分采用了 PoW （工作量证明），所以天生就对女巫攻击具有一定免疫。而且，中本聪共识的算法十分简单，普通人稍具数学基础，就可以理解。中本聪共识也容易扩容，在 10 个结点和 1000 个结点上受到的性能损失较小（一方面是因为不需要广播投票，另一方面是因为它本来就很慢，见以下解释。）

中本聪共识的缺点也很明显。因为 PoW 的难度和等待链长度跟安全性有关，从根本上说性能很差，交易确认延迟大也无法改变。现有的所有基于中本聪共识的「魔改」（换汤不换药的扩容）协议，其实只能增加吞吐量。而抛开延迟谈吞吐量，意义不大。好比我可以开一个卡车运一车硬盘来运送数据，虽然是超高吞吐量，但也是超高延迟。

在安全性方面，和传统 BFT 共识相比，中本聪共识只提供概率的安全保证，而 BFT 则是 100% 安全。这里说的安全，或者称为一致性，就是能否避免双花。其实，比特币出六个块能发生双花的概率并不像大家想的那么低，有高达 13% 的概率出现共识失败 （即 BFT 中的 30% 节点的情况）。以此来看，如果要公平比较的话，中本聪共识的效率非常之低。（六个块已经耗时一个小时了。）

再来看经典 BFT 共识，其前提或者说缺点是，需要知道所有参与者，要求 100% 精确的成员信息。另外，经典 BFT 共识相对较难扩容。在 HotStuff 前，大部分经典 BFT 都需要所有结点广播，这带来了平方级别的复杂度（包括 Tendermint 论文里面描述的算法）。增加大量结点会导致网络拥塞。而且，其中的 Leader 结点会承受整个网络的负载（负载极其不均衡），导致难以扩容到成千上万个结点而没有太大性能损失。

BFT 共识的优点则在于，因为共识没有使用无意义的 PoW，所以，经典 BFT 共识的协议速度跟网络发送大量短消息的速度相关，没有中本聪共识那种额外的能源消耗和等待时间。交易延迟非常小，如果不考虑网络延迟，交易在数十至数百毫秒级别，如果考虑网络延迟，就跟网络延迟同数量级。

链闻：你们论文在开篇声称，HotStuff 基于一个新的框架，这个框架在经典 BFT 基础和区块链之间搭建了一座桥梁。如何理解这句话？

尹茂帆：我们的论文名为《尤物协议：透过区块链看拜占庭容错共识》（HotStuff： BFT Consensus in the Lens of Blockchain）。

之所以这么描述，是因为它的算法框架（可以诞生多个衍生算法）采用了树 / 链式结构，十分类似区块链。另外，和传统区块链类似，一个结点当前也有被视作「主链」的一根链，投票只会投给当前认为主链上扩展的新部分。和区块链一样，如果侧链足够「好」，那么它就会变成新的主链。在区块链里面，这个是通过链长度来判定的（长者胜），而在 HotStuff 中，它通过最近一次成功获得大部分投票的块决定。

另一方面，HotStuff 又是传统 BFT 体系下的一员。用此算法框架可以很好地解释 PBFT、DLS、Tendermint、Casper 等协议，达到了一定程度上的归纳和统一。另外，跟之前同类型算法最大区别也是最大贡献的地方是——HotStuff 的核心换届算法没有特殊情况；不像 PBFT 那样有「正常」的执行流程以及「特殊」的换届流程，HotStuff 统一了两者，即没有显式的换届特殊处理，也可以认为是潜在地处处换届。这使得编写一个基于 HotStuff 的共识系统的基础安全部分十分容易。对比 PBFT 的数千行换届代码，HotStuff 只需要几十或百余行即可。

另一个它较同类型算法更优异的特点是，它对工程师们十分友好。它将保证正确性和保证性能的逻辑从算法层面上就进行了解耦合。一旦安全性保证的几十行代码完成，剩下的根据具体应用场景的优化（包括换届机制，政策）都不会再触及这部分，使得系统始终安全。

链闻：PBFT 算法可以在互联网等异步环境中运行，一些优化也使它较以前的共识算法更快。但它也有一些问题，比如检测不良主要节点和重新选择新主要节点（view change）的过程非常低效。比如为了达成共识，PBFT 需要平方级别的消息交换，这意味着每台计算机都必须与网络中其他所有计算机进行通信。总之，PBFT 的扩容性显然不够。HotStuff 对这些问题有哪些解决方案？

尹茂帆：首先，HotStuff 将换届的代价首次从平方级降低至线性复杂度，这意味着它和 Paxos/Raft 这些在 IT 行业广泛使用的非 BFT 协议一样，拥有一致的复杂度。另外，虽然理论上 Tendermint 等协议可以通过结合数字签名来降低到同样复杂度，但是，这些协议本质上需要在块与块间等待最大的可能网络延迟，使得实际实现出来的系统变成了一个同步系统。而 HotStuff 思路跳出了原有的框架，提出了一个极简的算法体系，使得它可以很容易地打破这个传统 BFT 的魔咒。经过测试，它可以在保证简单代码实现、低理论复杂度的情况下打败现有的最快的传统 BFT 实现，在商用系统方面具有无限潜力。

链闻：Facebook 的 Libra 白皮书提出，Libra 区块链是从“许可型区块链”起步的，未来目标是成为非许可型网络。由许可型转向非许可型，目前有可行的技术路径吗？难点在于扩容（从 100 个节点增加到成千上万个节点）还是在于能否抗女巫攻击？

尹茂帆：理论上来说，任何许可协议都可以转化成非许可型协议。因为传统的共识协议（无论是 BFT 还是非 BFT），都可以通过共识本身来重新配置以增加 / 删除结点。但是因为潜在的女巫攻击，这种基于精确成员信息的协议，需要额外依赖一个 PoS 或者 PoW 的进入机制来开放系统。

HotStuff 共识的其他实施

除了 Facebook，其他一些区块链项目也已经决定使用 HotStuff 共识。其中一个是公链项目 Cypherium（cypherium.io）。有趣的是，Cypherium 项目声称可以实现非许可型的扩展——如果这个尝试成真，意味着这可以为 Facebook 提出的转型路线图，提供了一种解决方案。

Cypherium 首席执行官 Sky Guo 接受链闻采访中解释了这里面的要点：

他说，与 Libra 未来计划转型为 PoS 不同的是，Cypherium 的主网将设计成 PoW+HotStuff 的混合共识机制。

通常来讲，区块链共识分为两个过程：选举领导者、打包与验证区块。传统项目里这两个过程由同一种共识机制实现。而 Cypherium 在第一个过程中选用了 PoW 共识，用于选择领导者节点。任何计算设备均可以通过挖矿的方式成为 Cypherium 的验证节点而不依赖于受信任的第三方。每当有矿工成功挖到 PoW 时，验证委员会当中时间最老的节点离开委员会，新的矿工成为验证委员，实现永久性的动态轮换。而第二个过程，则选用了效率较高的 HotStuff 共识来打包和验证区块。相应地，Cypherium 设计了选举链+交易链的双链架构。Sky Guo 声称，Cypherium 共识 CypherBFT 可以做到完全去中心化、交易顺时最终确认、支持亿级用户的应用场景。