怎么淺析Facebook LibraBFT與比原鏈Bystack

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如果說什么是區塊鏈的靈魂，那一定是共識機制。

它是區塊鏈的根基。無論公鏈或是聯盟鏈，共識機制都從基礎上限制了區塊鏈的交易處理能力和擴展性。

2019年6月18日，Facebook 發布了自己 Libra 項目的白皮書，引發廣泛關注。作為 Facebook 試圖創造國際流通數字貨幣的重要項目，Libra 區塊鏈采用的是 LibraBFT 共識機制，是一個為 Libra 設計的魯棒的高效的狀態復制系統。它基于一種新型的 BFT 共識算法，HotStuff。

就在 Facebook Libra 項目白皮書發布之前不久，5月17日，比原鏈發布了 BaaS 平臺 Bystack。這是一個一主多側鏈架構的商用區塊鏈系統，主鏈采用 PoW 共識保證多樣資產安全和去中心化，側鏈提供可插拔的共識以滿足不同業務需求。同時，Bystack 本身還針對側鏈獨創了一種 DPoS+BBFT 的共識算法。

同樣是 BFT 類共識機制，LibraBFT 和 BBFT 兩者有什么不同呢？

區塊鏈共識機制的意義和現狀

共識（Consensus）是分布式系統中節點對數據或網絡最終狀態達成的協議。由于網絡環境和節點狀態的不可控，共識機制需要同時考慮性能、可靠性、安全性等多方面問題。

共識機制從大的方面，可分為 PoW 等中本聰共識機制，和拜占庭容錯（BFT）類共識機制兩大類。BFT 共識機制廣泛應用于各類聯盟鏈。

PoW 共識在非許可（Permissionless）鏈上應用廣泛，但是它的概率模型在提供較高可靠性的同時，犧牲了效率，浪費了大量計算資源。在具體商業應用環境中，許可（Permissioned）機制已經保證了一定程度上的節點可信度（Semi-Trust）。這樣的前提下，用戶更關心執行效率（TPS）和最終確定性（Finality）。這是BFT共識在聯盟鏈中流行的原因。

BFT共識機制

BFT（ Byzantine Fault Tolerance）即拜占庭容錯。它是分布式計算容錯技術。

由于硬件錯誤、網絡擁塞或中斷、以及遭到惡意***等原因，計算機和網絡可能出現不可預料的行為。拜占庭容錯技術被設計用來處理這些異常，在容錯的基礎上達成共識。

與從比特幣衍生出的中本聰共識不同，在BFT類協議中，一旦達成共識，則直接形成確定性結果，而不是中本聰共識的概率上的最終一致。

BFT 類共識在金融場景及聯盟鏈場景中應用甚廣。同時隨著技術進步，公有鏈場景下應用的 BFT 共識也在不斷出現。

PBFT 共識機制

實用拜占庭容錯算法（Practical Byzantine Fault Tolerance Algorithm，PBFT）是首個實用的在異步分布式網絡中實現拜占庭容錯的共識算法。

PBFT 算法可工作在異步環境中，并且優化了原始拜占庭容錯算法效率不高的問題，將算法復雜度由指數級降低到多項式級，使得拜占庭容錯算法在實際系統應用中變得可行——這點已得到廣泛驗證。PBFT 算法可以在失效節點不超過總數1/3的情況下同時保證一致性（Safety）和交付保證（Liveness）。

無論 Facebook Libra 的 LibraBFT 共識協議，還是比原鏈 Bystack 的 BBFT共識機制，都在底層上充分吸收了 PBFT 的優點，采用了已有的經過時間驗證的處理方式，并在 PBFT 的一些短板和不足之處分別做出了各自不同方向的革新。

Facebook Libra 的 LibraBFT 共識協議

前面已經說到，Libra 采用基于 HotStuff 的 LibraBFT 共識。

HotStuff 是一個三階段的 BFT 算法。它將視圖切換流程和正常流程進行合并，不再有單獨視圖切換流程，降低了視圖切換的復雜度。

在 HotStuff 中切換視圖時，系統中的某個節點無需確認「足夠多的節點希望進行視圖切換」這一消息再通知新的主節點，而是可以直接切換到新視圖并通知新主節點。HotStuff 把確認「足夠多的節點希望進行視圖切換」這一消息的行為放進了正常流程中。由此把 PBFT 的兩階段確認擴展成了三階段確認。

HotStuff 的另一個重要改變，是將 PBFT 的網狀通信網絡拓撲變成了星形通信網絡拓撲。HotStuff 中，每次通信都依靠主節點。節點不再通過 p2p 網絡將消息廣播給其它節點，而是將消息發送給主節點，由主節點處理后發送給其它節點。得益于星型通信網絡拓撲，系統的通信復雜度大大降低。和 PBFT 類似，主節點會提議進行狀態遷移，其它節點收到該狀態遷移要求后，會檢查其合法性。

LibraBFT 在 3f+1 個驗證節點之間收集投票，這些驗證者可能是誠實的節點也可能是拜占庭節點。在網絡中存在 2f+1 個誠實節點的前提下，Libra能夠抵御 f 個驗證節點的雙花***和分叉***。

LibraBFT在一個有全局統一時間（GST），并且網絡最大延時（ΔT）可控的部分同步網絡中是有效的。并且，LibraBFT在所有驗證節點重啟的情況下，也能夠保證網絡一致性。

比原鏈 Bystack 的 BBFT共識機制

根據 Bystack 白皮書，BBFT 是一種基于實用拜占庭容錯 PBFT 的衍生共識，是一種分層拜占庭容錯共識算法。在保證拜占庭容錯，即允許少量節點（f≤N/3）作惡的情況下，具有以下特性：

（1）配置性（Configurable）

采用模塊化可插拔設計，按需配置，并在一定程度上保證對新技術的兼容（Future-Proof）。

這是 Bystack 的一個核心競爭點。跨鏈概念近幾年一直有受到廣泛關注，也是區塊鏈發展的重要方向。支持模塊化的插拔，使得 Bystack 擁有跨鏈方向的想象空間，有能力形成一個真正擴展性強、能兼容其他主流共識機制的區塊鏈系統。

這樣的兼容能力使得 BBFT 有能力讓其他的聯盟鏈公鏈成為自己的側鏈，讓自己不僅僅是一個區塊鏈操作系統，而且形成一個區塊鏈操作系統生態。這樣一來，想象空間就大了。

不過當然，要達到這樣的程度，技術實現上可能任重道遠。兼容性是一個動輒消耗大量研發成本的方向，它不難，但是繁瑣。BBFT 很難一步登頂一開始就做到最好，目前只能一步一步來。

（2）適應性（Adaptive）

即針對不同網絡環境提供穩定的執行效率。

BFT 需要節點之間互相交換驗證結果以取得多數共識。一般來說，每個節點需要得到足夠多（≥(2/3)*N）的來自其他節點的回復才能做出有效判斷。網絡延時直接影響信息交互效率，特別在跨地域跨境應用中，延時將成為網絡運行的瓶頸。

在 BBFT 中，共識節點維護當前網絡拓撲，按最短路徑原理相近的節點采取優先通信。對通信的聚合可以進一步降低延時。同時類似PBFT，BBFT 中領導節點（Leader）的角色被弱化，共識節點拿到超過2/3票數就可以做出判定，從而在領導節點通信受到阻塞的情況下，也不會對整個網絡決策產生巨大影響。

（3）擴展性（Scalable）

保證共識復雜度隨網絡容量線性（Linear）或低于線性（Sub-Linear）增加。

一方面共識節點越多網絡的可靠性相對越高；另一方面，傳統 PBFT 中節點通信的復雜度 O(N^2) 隨網絡容量指數級增長，極大限制了節點數目。BBFT中對消息的有效聚合可以有效減少消息發送的次數，從而保證 O(N) 的復雜度要求。與網絡拓撲相結合，可以把網絡分割為多層結構，消息數據可以在同層內有效共享，以多簽聚合的形式跨層傳播。多簽信息驗證可以使用現有的成熟的

方案，例如基于 Shnorr 簽名的 MuSig 算法，可以在保證多簽驗證效率的同時，抵御Rogue Key Attack***。

（4）異構性（Heterogeneous）

分離共識的驗證和通信。

共識達成需要驗證和通信，但兩者并沒有很強的關聯。采取低耦合的共識框架可以進一步提高網絡可靠性和效率。

驗證模塊往往取決于具體用戶邏輯，對算力和安全性都有一定要求。通信模塊和用戶邏輯相對獨立，主要處理網絡連接和請求。網絡拓撲和最短路徑的計算和選擇可以在這里完成。由于和用戶邏輯無關，通信模塊可以以抽象層（AbstractionLayer）或者中間件（Middleware）的形式和驗證對接。

異構帶來的優勢還體現在用最優的工具做最適合的事。驗證和通信允許運行在不同的系統上、不同的操作環境中，針對不同硬件的算力優勢和安全保證（TrustZone）來發揮最大效能。

BBFT 的兩大主要特點在于：

多層結構。根據網絡進行分層。傳統 BFT 是單層結構，只有一個領導節點和若干處于同等地位的共識節點。BBFT 的創新在于大領導下面還有小領導，如果領導出問題，不至于對網絡產生較大影響，相當于弱化了領導的作用。而且由于是多層結構，可以把網絡通信分流再組合，優化網絡通信的延時和數量。

傳統 PBFT 的通信復雜度是指數級的，難以擴展，網絡里面隨著節點數暴漲，整個網絡延遲可能很嚴重。BBFT 通過分層和加密簽名的聚合，對整個網絡結構有效組合，可以保證通信復雜度線性增長，而不是指數級增長。

可配置性。Bystack 上的側鏈工程其實分三個模塊，一是底層共識算法，二是網絡劃分，三是簽名聚合。其中，網絡劃分和簽名聚合是相對獨立的模塊，可以使用不同的網絡分層算法、簽名聚合算法與共識層的算法進行搭配。可以根據具體用戶場景靈活選用不同的合理方案。

LibraBFT vs BBFT：共同和差異

LibraBFT 將 PBFT 的網狀通信網絡拓撲變成了星形通信網絡拓撲，以降低系統通信復雜度；BBFT則使用多層結構把網絡通信分流再組合，優化網絡通信的延時和數量。

LibraBFT 將視圖切換流程和正常流程進行了合并，把 PBFT 的兩階段確認擴展成了三階段確認；BBFT 則將經典 BFT 算法中產生、預最終狀態與最終狀態三個狀態修改為只有一個最終確認狀態。

兩者都可看做是 PBFT 共識的升級，吸收了現有 BFT 類共識的成果和優點，并在此基礎上做出不同方向的擴展。LibraBFT 共識機制更多是 PBFT 基礎上的一種革新，更多關注算法本身，對 PBFT 有很多修改和優化的方面；BBFT 更多是在層級上進行分層控制，更多是一種系統全局思維。BBFT 希望達到的，不只是一種高效的共識機制，更是能融合其他共識機制的共識機制。維度上，BBFT 是可以讓 LibraBFT 直接接入，在側鏈上利用對方所有優勢的。LibraBFT 是第一序改變，BBFT 是第二序改變。

可以明顯看出，Bystack 更加關注利用好現有共識機制，將不同的共識機制整合、取長補短，這在 Bystack 整體架構上表現就十分突出，比如主側鏈采用不同共識并有機結合、側鏈使用 DPoS＋BBFT 的混合共識算法并具備可配置性……Bystack 不只是想做區塊鏈的操作系統，它實際上有做操作系統的操作系統的意思。

區塊鏈共識機制的研究，已經進行很長一段時間，但從 PoW 共識提出到現在，并沒有說得上范式突破的進展。

也許讓區塊鏈兼容其他鏈的共識機制，實現平滑跨鏈，讓任何一條鏈都可以作為一個側鏈接入進來，可以成為區塊鏈方向的一個范式突破，帶來全新的想象空間。也許這也是現在跨鏈概念比較火爆的原因。

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