淺析Facebook LibraBFT與比原鏈Bystack BBFT共識

若是說什麼是區塊鏈的靈魂，那必定是共識機制。

它是區塊鏈的根基。不管公鏈或是聯盟鏈，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 發佈了本身 Libra 項目的白皮書，引起普遍關注。做爲 Facebook 試圖創造國際流通數字貨幣的重要項目，Libra 區塊鏈採用的是 LibraBFT 共識機制，是一個爲 Libra 設計的魯棒的高效的狀態複製系統。它基於一種新型的 BFT 共識算法，HotStuff。

就在 Facebook Libra 項目白皮書發佈以前不久，5月17日，比原鏈發佈了 BaaS 平臺 Bystack。這是一個一主多側鏈架構的商用區塊鏈系統，主鏈採用 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知足不一樣業務需求。同時，Bystack 自己還針對側鏈首創了一種 DPoS+BBFT 的共識算法。

一樣是 BFT 類共識機制，LibraBFT 和 BBFT 二者有什麼不一樣呢？

區塊鏈共識機制的意義和現狀

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

共識機制從大的方面，可分爲 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 共識機制普遍應用於各種聯盟鏈。

PoW 共識在非許可（Permissionless）鏈上應用普遍，可是它的機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）機制已經保證了必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）和最終肯定性（Finality）。這是BFT共識在聯盟鏈中流行的緣由。

BFT共識機制

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

因爲硬件錯誤、網絡擁塞或中斷、以及遭到惡意攻擊等緣由，計算機和網絡可能出現不可預料的行爲。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一樣，在BFT類協議中，一旦達成共識，則直接造成肯定性結果，而不是中本聰共識的機率上的最終一致。

BFT 類共識在金融場景及聯盟鏈場景中應用甚廣。同時隨着技術進步，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佈式網絡中實現拜占庭容錯的共識算法。

PBFT 算法可工做在異步環境中，而且優化了原始拜占庭容錯算法效率不高的問題，將算法複雜度由指數級下降到多項式級，使得拜占庭容錯算法在實際系統應用中變得可行——這點已獲得普遍驗證。PBFT 算法能夠在失效節點不超過總數1/3的狀況下同時保證一致性（Safety）和交付保證（Liveness）。

不管 Facebook Libra 的 LibraBFT 共識協議，仍是比原鏈 Bystack 的 BBFT共識機制，都在底層上充分吸取了 PBFT 的優勢，採用了已有的通過時間驗證的處理方式，並在 PBFT 的一些短板和不足之處分別作出了各自不一樣方向的革新。

Facebook Libra 的 LibraBFT 共識協議

前面已經說到，Libra 採用基於 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併，再也不有單獨視圖切換流程，下降了視圖切換的複雜度。

在 HotStuff 中切換視圖時，系統中的某個節點無需確認「足夠多的節點但願進行視圖切換」這一消息再通知新的主節點，而是能夠直接切換到新視圖並通知新主節點。HotStuff 把確認「足夠多的節點但願進行視圖切換」這一消息的行爲放進了正常流程中。由此把 PBFT 的兩階段確認擴展成了三階段確認。

HotStuff 的另外一個重要改變，是將 PBFT 的網狀通訊網絡拓撲變成了星形通訊網絡拓撲。HotStuff 中，每次通訊都依靠主節點。節點再也不經過 p2p 網絡將消息廣播給其它節點，而是將消息發送給主節點，由主節點處理後發送給其它節點。得益於星型通訊網絡拓撲，系統的通訊複雜度大大下降。和 PBFT 相似，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後，會檢查其合法性。

LibraBFT 在 3f+1 個驗證節點之間收集投票，這些驗證者多是誠實的節點也多是拜占庭節點。在網絡中存在 2f+1 個誠實節點的前提下，Libra可以抵禦 f 個驗證節點的雙花攻擊和分叉攻擊。

LibraBFT在一個有全局統一時間（GST），而且網絡最大延時（ΔT）可控的部分同步網絡中是有效的。而且，LibraBFT在全部驗證節點重啓的狀況下，也可以保證網絡一致性。

比原鏈 Bystack 的 BBFT共識機制

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根據 Bystack 白皮書，BBFT 是一種基於實用拜占庭容錯 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，即容許少許節點（f≤N/3）做惡的狀況下，具備如下特性：

（1）配置性（Configurable）

採用模塊化可插拔設計，按需配置，並在必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普遍關注，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，有能力造成一個真正擴展性強、能兼容其餘主流共識機制的區塊鏈系統。

這樣的兼容能力使得 BBFT 有能力讓其餘的聯盟鏈公鏈成爲本身的側鏈，讓本身不只僅是一個區塊鏈操做系統，並且造成一個區塊鏈操做系統生態。這樣一來，想象空間就大了。

不過固然，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，可是繁瑣。BBFT 很難一步登頂一開始就作到最好，目前只能一步一步來。

（2）適應性（Adaptive）

即針對不一樣網絡環境提供穩定的執行效率。

BFT 須要節點之間互相交換驗證結果以取得多數共識。通常來講，每一個節點須要獲得足夠多（≥(2/3)*N）的來自其餘節點的回覆才能作出有效判斷。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，延時將成爲網絡運行的瓶頸。

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採起優先通訊。對通訊的聚合能夠進一步下降延時。同時相似PBFT，BBFT 中領導節點（Leader）的角色被弱化，共識節點拿到超過2/3票數就能夠作出斷定，從而在領導節點通訊受到阻塞的狀況下，也不會對整個網絡決策產生巨大影響。

（3）擴展性（Scalable）

保證共識複雜度隨網絡容量線性（Linear）或低於線性（Sub-Linear）增長。

一方面共識節點越多網絡的可靠性相對越高；另外一方面，傳統 PBFT 中節點通訊的複雜度 O(N^2) 隨網絡容量指數級增加，極大限制了節點數目。BBFT中對消息的有效聚合能夠有效減小消息發送的次數，從而保證 O(N) 的複雜度要求。與網絡拓撲相結合，能夠把網絡分割爲多層結構，消息數據能夠在同層內有效共享，以多籤聚合的形式跨層傳播。多籤信息驗證可使用現有的成熟的

方案，例如基於 Shnorr 簽名的 MuSig 算法，能夠在保證多籤驗證效率的同時，抵禦Rogue Key Attack攻擊。

（4）異構性（Heterogeneous）

分離共識的驗證和通訊。

共識達成須要驗證和通訊，但二者並無很強的關聯。採起低耦合的共識框架能夠進一步提升網絡可靠性和效率。

驗證模塊每每取決於具體用戶邏輯，對算力和安全性都有必定要求。通訊模塊和用戶邏輯相對獨立，主要處理網絡鏈接和請求。網絡拓撲和最短路徑的計算和選擇能夠在這裏完成。因爲和用戶邏輯無關，通訊模塊能夠以抽象層（AbstractionLayer）或者中間件（Middleware）的形式和驗證對接。

異構帶來的優點還體如今用最優的工具作最適合的事。驗證和通訊容許運行在不一樣的系統上、不一樣的操做環境中，針對不一樣硬件的算力優點和安全保證（TrustZone）來發揮最大效能。

BBFT 的兩大主要特色在於：

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於同等地位的共識節點。BBFT 的創新在於大領導下面還有小領導，若是領導出問題，不至於對網絡產生較大影響，至關於弱化了領導的做用。並且因爲是多層結構，能夠把網絡通訊分流再組合，優化網絡通訊的延時和數量。

傳統 PBFT 的通訊複雜度是指數級的，難以擴展，網絡裏面隨着節點數暴漲，整個網絡延遲可能很嚴重。BBFT 經過分層和加密簽名的聚合，對整個網絡結構有效組合，能夠保證通訊複雜度線性增加，而不是指數級增加。

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，可使用不一樣的網絡分層算法、簽名聚合算法與共識層的算法進行搭配。能夠根據具體用戶場景靈活選用不一樣的合理方案。

LibraBFT vs BBFT：共同和差別

LibraBFT 將 PBFT 的網狀通訊網絡拓撲變成了星形通訊網絡拓撲，以下降系統通訊複雜度；BBFT則使用多層結構把網絡通訊分流再組合，優化網絡通訊的延時和數量。

LibraBFT 將視圖切換流程和正常流程進行了合併，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成只有一個最終確認狀態。

二者均可看作是 PBFT 共識的升級，吸取了現有 BFT 類共識的成果和優勢，並在此基礎上作出不一樣方向的擴展。LibraBFT 共識機制更可能是 PBFT 基礎上的一種革新，更多關注算法自己，對 PBFT 有不少修改和優化的方面；BBFT 更可能是在層級上進行分層控制，更可能是一種系統全局思惟。BBFT 但願達到的，不僅是一種高效的共識機制，更是能融合其餘共識機制的共識機制。維度上，BBFT 是可讓 LibraBFT 直接接入，在側鏈上利用對方全部優點的。LibraBFT 是第一序改變，BBFT 是第二序改變。

能夠明顯看出，Bystack 更加關注利用好現有共識機制，將不一樣的共識機制整合、取長補短，這在 Bystack 總體架構上表現就十分突出，好比主側鏈採用不一樣共識並有機結合、側鏈使用 DPoS＋BBFT 的混合共識算法並具有可配置性……Bystack 不僅是想作區塊鏈的操做系統，它實際上有作操做系統的操做系統的意思。

區塊鏈共識機制的研究，已經進行很長一段時間，但從 PoW 共識提出到如今，並無說得上範式突破的進展。

也許讓區塊鏈兼容其餘鏈的共識機制，實現平滑跨鏈，讓任何一條鏈均可以做爲一個側連接入進來，能夠成爲區塊鏈方向的一個範式突破，帶來全新的想象空間。也許這也是如今跨鏈概念比較火爆的緣由。

也許正像 Bystack 共識算法負責人王煒所說，「單一公鏈單一算法」這種模式已經行不通了，由於用戶場景實在太多，一條公鏈是解決不了全部問題的。

做者：蜂鳴