Libra 采用的 HotStuff 算法作者親述：「尤物」誕生記_AXO

Facebook公布了Libra白皮書和相關技術文檔之后，鏈聞發現了Libra區塊鏈將使用基于拜占庭容錯共識的「LibraBFT」共識算法，而LibraBFT算法則是「HotStuff」的一個變種。之后，鏈聞又順藤摸瓜，找到了「HotStuff」論文的第一作者、美國康奈爾大學大學在讀博士生尹茂帆，請他講述了HotStuff的奧妙。

TedYin今年25歲，目前導師是著名計算機科學家EminGünSirer教授和RobbertvanRenesse教授。他同時也是市場頗為矚目的區塊鏈新項目AvaLabs的聯合創始人和首席系統架構師。

2018年暑期期間，他在VMwareResearch實習時提出了「HotStuff」協議中核心算法，并完成了相關論文。

我們邀請TedYin撰文分享了他提出「HotStuff」核心算法前前后后的經歷。我們希望通過這篇文章，記錄下一個創新性算法被年輕華人研究者提出的背景，一個有可能推動區塊鏈技術發展的基礎性研究工作完成的來龍去脈。我們希望以此幫助讀者更好理解「HotStuff」，更可以激勵區塊鏈行業的研究者和開發者更好地建設。

撰文：TedYin，康奈爾大學博士生，AvaLabs的聯合創始人兼首席系統架構師

TedYin，HotStuff論文第一作者，AvaLabs的聯合創始人和首席系統架構師。

一入系統深似海

沒想到，HotStuff，這個被我中文起名為「尤物」協議的科研成果，或多或少竟源自于我第一個「失敗」的研究。請容我細細說來。

2016年，博士之旅伊始，我的導師EminGünSirer教授便拿出幾份論文讓我細細研讀。其中有：

PaxosMadeModeratelyComplex；

ByzantineQuorumSystems；

ImplementingFault-TolerantServicesUsingtheStateMachineApproach。

這些都是共識協議研究經典中的經典。更沒想到的是，有一天，我竟有幸與ByzantineQuorumSystems的兩位作者合作完成了后來的尤物協議。

“Facebook調整Libra天秤幣計劃 ”登上微博熱搜第25位:金色財經報道，“Facebook調整Libra天秤幣計劃”登上微博熱搜榜，現以273330的搜索熱度排名第25位。[2020/4/17]

相較于人工智能的論文，計算機系統相關的研究論文篇幅都較長，一般有十來頁。而共識協議算法的論文每一頁的難度又令人望而卻步。在理解了共識問題的基礎以及經典算法以后，一次開會中，Gün教授開始考我了。本來胸有成竹的我，被他連珠炮一般的問題問得說不出話來。

「看來你需要回去重新讀一遍啦，Ted！」，他淡然一笑，「不必擔心，本來這世界上沒多少人懂Paxos。」

在1990年提出的一種基于消息傳遞且具有高度容錯特性的一致性算法，很多大型分布式系統都采用Paxos算法來解決分布式一致性問題，Paxos算法被普遍認為難以理解，難以實現。）

我愧色滿面，倉皇逃出了辦公室。于是下決心要把其中邏輯理清，以至無懈可擊。

「異步」難題

共識協議，或者推廣至各種分布式系統的協議，是一類基于時態邏輯的算法描述，其難點在于「異步」。

所謂異步，就是若干個相對獨立邏輯可以同時執行，并且它們之間能夠依據算法發生交互。這里的「異步」與異步協議中異步所指不同，更接近于并發的概念。

其實在日常生活中，我們也無時無刻不進行這種「異步」的操作：我們不會干等一天別人的消息，也不會在整個項目所有的事情做完后才睡覺休息。我們往往是會「同時」處理若干個不同的事務，盡量不會因為一件事沒有做完而被卡住不做后續的所有事情。

這種等待著一件事情完成再處理另一件事情的過程，就可以被稱為「同步」；而把事情做一部分丟給別人，接著馬上進行其他操作的過程中，則產生了「異步」。

正如生活中的多任務同時處理一樣，帶有異步/并發性質的算法設計充滿了挑戰。以Paxos算法為例，它是一種對宕機有一定容忍度的冗余算法。用通俗的話講，也就是我們希望有若干個機器去備份同一個系統狀態。這個狀態可以是用戶的信息、銀行的交易，或者平臺上程序的執行序列。這種「備份」，使得整個系統有一定的抗故障能力——一臺帶狀態副本的機器崩潰之后，我們仍然有別的機器可以使用。

動態 | “美國國會叫停Libra”入選首屆（2019）國際十大金融政策:1月17日，由新華財經與《中國金融政策報告》項目聯合發起的首屆“十大金融政策”評選結果正式出爐。評選出的《國際十大金融政策》《中國十大金融政策》《（中國）區域與地方十大金融政策》三大成果，涵蓋海內外對經濟金融發展、金融市場培育、金融深化改革等方面具有重要影響力與促進作用的金融政策。其中，首屆（2019）國際十大金融政策最終結果為：

1. 美聯儲三度降息；

2. 歐央行宣布降息10個基點 重啟量化寬松；

3. 國際貨幣基金組織發文警告全球金融脆弱性；

4. 美聯儲宣布延長回購計劃并擴張資產負債表；

5. “一帶一路”國際合作高峰論壇發布《“一帶一路”債務可持續性分析框架》；

6. 歐盟發表《金融科技監管、創新與融資的30條建議》；

7. 日本政府推出大規模經濟刺激計劃；

8. 美國國會叫停Libra；

9. 美聯儲褐皮書，警示貿易緊張局勢和全球增長放緩拖累美國經濟；

10. 歐洲央行首位女掌門人上任 拉加德面臨提振經濟挑戰。[2020/1/23]

Paxos作為這類協議的代表已經在業界獲得了廣泛的使用，比如Google的Spanner系統。毫不客氣地說，云服務和大規模數據中心的崛起，重要原因之一就要歸功于此。美國計算機科學家萊斯利·蘭波特提出了Paxos算法，這成為讓他在2013年獲得圖靈獎的重要原因之一——當然，蘭波特有太多的貢獻了，包括后文會提到的拜占庭容錯算法，這里就不一一展開了。

不過，像Paxos這類算法因為需要保證系統各個機器同時處于一致的狀態，以便對外表現為一個不間斷的服務，因而十分難以設計和理解。

當然，我的那個故事的結局是：重新來過，認真鉆研，自信滿滿地再次接受也解答了Gün教授提出的若干個刁鉆的問題，最終通過了他的考驗。

「那么接下來我希望你思考一下能不能基于區塊鏈的結構設計一個CFT算法，打敗Paxos。」Gün教授說。

「好的。」我回答到。

雖萬難吾往矣

就這么簡單的一句話，花去了我整整第一年一個學期的時間。

現在回想，這個過程短暫又漫長，時而枯燥無味，但時而又充滿驚奇。我曾經構想出了一些看似正確的算法，但僅僅過了一天，隨即便發現無法證明，或者算法本身存在錯誤。直到在第一個暑假來臨前，我向導師提交了一份關于這方面研究的報告。

聲音 | 中央匯金原總經理謝平：Libra推出后資本外逃會很方便:近日，在第三屆中南股權投資高峰論壇上，中央匯金原總經理謝平表示，就貨幣理論而言，Libra是一個超主權貨幣，而超主權貨幣本身就是對現有貨幣的挑戰。他認為，Libra有內在的貨幣價值，因為Libra是有一籃子法定的貨幣金融資產作為抵押的，跟比特幣不一樣，它是有內在價值的。從內在價值角度而言，它跟人民幣、美元一樣都有共同價值。它的價值存儲功能跟現行的貨幣一樣，同時具有天然跨境支付功能。“現在的Libra一旦用起來了之后，對中國威脅最大的就是資本外逃”。謝平提醒：“現在資本外逃走的是地下錢莊或者比特幣賬戶；如果Libra推出后資本外逃就會很方便了，交易成本會大幅度的下降，這是最頭疼的。”他認為，Libra一旦使用會推動成千上萬的老百姓熟悉區塊鏈技術，像當年老百姓熟悉互聯網一樣，這對區塊鏈技術是巨大的推動。Libra或者說區塊鏈的技術，用于代幣化，用于人類的支付系統，尤其是匿名的、點對點的支付，勢不可當，這是對現有人類支付系統的一個巨大的挑戰。（中國金融新聞網）[2019/11/12]

在報告中我分析了嘗試用鏈式結構打敗Paxos的各種大方向。其中主要分為兩種：

一種路線是采取類似原中本聰共識中的概率模型，然后通過隨機的等待時間來建立起一個可以收斂的共識鏈；

另一種截然不同的思路則是像Paxos那樣，使用子集交來把Paxos「編碼」在鏈上。

在報告中，我給出了基于Python快速構建的Raft和第一種路線的性能對比，得出了不成功的結論。而Gün教授對另一個路線并不持樂觀態度——因為Paxos/Raft現在已經被優化得很快了，在這種只有宕機的容錯場景下是不具備優勢的。

我們決定放棄這個CFT相關的研究，我也轉而有了一個新項目，也就是后來的Avalanche協議。它是一種概率安全的拜占庭容錯協議，這里暫不展開。

有趣的是，報告提到的兩條路線中，第一個正好和早期的DPoS思路如初一轍。DPoS是一個備受爭議的協議，它在早期并不是拜占庭容錯的，而且協議本身沒有嚴格的證明或者性能的測試，主要使用它的EOS虛擬貨幣，也淪為了一個高度中心化的系統。而第二個路線，如果將問題的領域由宕機容錯變為拜占庭容錯，Paxos改換成DLS/PBFT，則像極了后來的尤物協議。

聲音 | 法國財政部長：Libra可能會給歐盟帶來金融風險:法國財政部長Bruno Le Maire今日表示，Libra可能會給歐盟帶來金融風險。（金十）[2019/10/20]

一拍即合

17年秋季學期即逝，我向VMwareResearch的首席研究員DahliaMalkhi表達了實習的意向。

當年12月，在清華—康奈爾區塊鏈研討會期間，Dahlia和VMwareResearch的高級研究員IttaiAbraham飛到深圳，短暫參會并作了學術報告。報告內容是關于BFT協議在區塊鏈時代下的新研究課題。期間，他們宣布發現了2007年獲得SOSP最佳論文的ZyzzyvaBFT系統存在的正確性問題，借此說明BFT協議過于復雜和難以理解，以致在業界無數專家審稿的10年以后，仍然可能會發現算法層面的正確性bug。

我們在她宣講的當天吃了早飯，席間她簡短地用了30分鐘問了一些關于我目前科研的問題作為面試。

Dahlia在業界以一針見血和才思敏捷著稱，在挺過了她的一些關于Avalanche協議的一些尖銳問題后，她表達出了對我一開始那個「夭折」CFT項目的濃厚興趣。在次年的遠程交流中，她提到了一個在構想的BFT算法有些類似于我的項目，并且詢問我當初放棄的原因。之后我們一拍即合，去VMwareResearch實習的事情也就這么定了下來。

太平洋的風

實習就這么開始了。從東岸的紐約飛到了西岸的加州。美好的灣區，全新的暑假。烈日下，太平洋的風時而撥弄著我手中的紙頁，我則低頭繼續思考著「誰是壞人，誰是好人，誰又背叛了誰」的問題——拜占庭容錯。

Dahlia告訴我說，一般世界各地的博士生來這里實習的頭一周都不需要做什么，而是應該去嘗試摸清自己的能力，以及尋找感興趣的項目。彼時，她提到希望我能看一下他們于三月份撰寫的文稿。

我喜憂參半。「喜」是因為有明確的文稿可以閱讀，「憂」則是這個預印稿是不是意味著算法已經設計完畢，而我能做的事所剩無幾？

實際上，在「掙扎」著閱讀了一周以后，我發現初稿中描述的算法很是模糊，正確性的證明也是一筆帶過，其中兩個核心引理都是一句話。于是，在商議后，我們做了一個后來覺得極為明智，但對我來說也十分挑戰的決定：我不去看那篇預印稿，而是從一張白紙開始，憑著自己受到的啟發，結合已有的積累，用我的符號系統來重新描述算法，并且嘗試給出嚴格的證明。

動態 | 盧森堡銀行家對Libra持觀望態度:據Luxembourg Times消息， 盧森堡銀行家協會（ABBL）已經成立了一個小組來研究Facebook新加密貨幣Libra的影響。該銀行正以務實的觀點看待Libra，盡管它們也擔心數據保護、洗錢和金融穩定風險等問題。負責ABBL數字銀行、金融科技和支付業務的Marc Hemmerling表示：“不管Facebook最終會提供什么，一味的去否定不是正確的態度。”[2019/8/2]

整個過程大概又花費了將近一周，最后我將重寫的幾頁稿子交給了Dahlia。令我欣喜的是，得到的反饋非常鼓舞人心。Dahlia說我自己重頭設計的算法在本質上和她當初的構想大體相似。

但是不久她就發現了一個很不一樣的地方：我的協議里面需要的假設比原本的預印稿的要更少。

我的解釋是，原稿里面維護的變量和隱含條件過多，而且有的好像也不是必要。我相信「簡單即是優美」的原則，于是去掉了一些覺得冗余的不變量。

瞬間，Dahlia變得嚴肅認真了起來，直截了當地說，「不，這個簡化會直接破壞協議的正確性」。

好在我已早有準備，向她解釋了這個「重要」條件其實是不必要的。但是她依然堅持。

討論變得逐漸激烈，于是我壯了膽，帶著十足底氣的口吻「挑戰」道：「Ifso,couldyoupleaseshowmeacounterexample?」她立即開始在眼前的白板上寫寫畫畫，我全神貫注，準備迎接對我思維以及口語表達的挑戰。

在她數次嘗試失敗之后，我再次耐心地解釋了一遍無需那個條件的原因。我說，聽上去確實挺反直覺的，我一開始也覺得困惑，但是后來發現證明正確性并不需要它。最后，她將馬克筆緩緩放下，笑著長出了一口氣說，「目前我想不到反對的理由。Ted，你贏了。哈哈。」

證明不是一筆揮就的。我一開始自鳴得意的證明很快就被Dahlia發現了一個致命問題：有一個條件從來沒有用過。和之前我們所爭論的冗余條件不同，我們都意識到這是一個極為關鍵的條件，奈何找遍了整個證明都沒有！

這種感覺就像是修好一個機器后發現手頭多了一些零件，又或是做完手術發現金屬盤里多出了一些器官一般。所幸的是，很快我們發現了其中一句話其實暗含了條件，但欣慰之余又感嘆就算是專業人士，做這種BFT協議也是十分棘手。

隨后，我們計劃將舊稿替換成現在重寫的新稿。

高手過招

Dahlia一直是我最敬重的學者之一，因為她平易近人，跟年輕人打成一片，而在討論學術問題時又有著淵博的知識儲備和學者的嚴肅威嚴，討論細致入微，不讓毫厘。

老實說，在討論中，大多數時候還是她取得了「勝利」。跟高手「過招」，我不得不嘆服她思維的深度、廣度和速度。這也是跟她合作的樂趣：就像是一場賽車比賽，稍一不留神，她就在彎道直接超車，一騎絕塵了；或是在你飛速狂奔而不知其所往時將其橫刀攔下，使之冷靜下來解釋清楚。

不久，坐在旁桌的MikeReiter也加入了我們的討論。我對計算機安全領域的大佬知之甚少，自然也是不知道這位Mike的來頭。只是當時覺得他特別友善，還經常來問我需不需要來看一眼我的稿子，或者討論一下算法問題。

MikeReiter，現為北卡羅來納大學教堂山分校計算機系教授

他也對HotStuff感興趣，于是我們便有了三人的開會小組。再后來我才意識到，原來最早讀的那篇于1998年發表的著名論文「拜占庭仲裁系統ByzantineQuorumSystems」，正是Dahlia和Ｍike在AT&T實驗室工作時期所合著的成果。那時的我還在幼兒園留著口水，咬著手指。

1998年發表在學術期刊「分布式計算」上的論文「Byzantinequorumsystems」

相比Dahlia，Mike更像是那種深藏不露的掃地僧。他時常會在你作報告加速時打斷，慢條斯理道：「恕我愚鈍，但是我不理解你剛剛說的東西，你能再解釋一遍嗎？」而我逐漸察覺到他懂的其實遠比看上去的多，總能在關鍵的地方提出非常好的問題。一旦他和Dahlia爭論起來，我幾乎無法插嘴，只好在一旁以崇敬的目光看著兩位「神仙大戰」。

猶物之生

Dahlia提起了最初的論文稿其實投了2018年的PODC會議，結果被拒。原因有二：審稿人覺得這論文寫得太籠統，他們沒能理解算法的具體過程，以及證明過于簡陋；另一方面則是他們認為實用拜占庭容錯算法的期刊版本已經在其中「暗示」了可能存在線性復雜度的換屆，所以論文號稱的線性換屆并不是新東西。

Dahlia對第一點心服口服——這也是讓我不看原文重頭寫過的原因之一。但她對第二點不以為然，因為她去找來了那個期刊論文，所謂「暗示」并不可行。

就這一點，我們兩人在一次討論中對PBFT期刊版本的算法進行了剖析，最終得出了一個好消息和一個壞消息：好消息是PBFT的換屆做不到線性，也就是審稿人的說法有誤；但壞消息是，Dahlia的舊稿里面的算法并不符合標題所說的完全線性，而是有更深層次的微妙之處。

就在這次和Dahlia對PBFT期刊版本的討論中，我們得到了新的思路

實際上，為了保證響應度，不得不變成平方復雜度；或者為了線性復雜度而放棄響應度。無論何種取舍，皆使我們的貢獻度大幅縮水——這朵烏云不幸地于周五飄在了頭頂，在這淪為「incrementalwork」的陰霾下我們若有所思地開始了周末。

柳暗花明

山重水復后，我席間提到的一個思路給了Dahlia新的啟發。于是，在那個周日的下午，當我還在家慵懶地用筆記本看新聞時，突然收到了一封她上千字的郵件。

果然，在我們的HotStuff體系中，盡管最初的算法跟Tendermint本質相仿，但還有別的變種可以打破這種壁壘：在保證與PBFT類似響應度的同時，達到線性的消息復雜度下界，即理論最優。值得一提的是，前面提到的Paxos同樣也是線性復雜度。

主要思路就是那天討論中我突發奇想提到的：「如果我們增加一個階段呢？兩個階段的協議變三個階段，但是好像我們可以用中間階段維護的不變量來避免Liveness的問題，從而完全保證響應度。」

于是，便有了第三版的「尤物」，也是Facebook的LibraBFT所基于的那個。

盡管在最終發表的論文中，我被列為第一作者，但是這個算法的提出，與Dahlia和Mike等經驗豐富學者的緊密協作及相互間激發出的靈感密切相關。我也很開心，能夠在VMwareResearch短暫的暑假實習期間完成「尤物」的主體部分算法。

在實習結束之后的半年間，我們堅持不懈地完善理論和代碼，并且也嘗試向業界推廣該成果。我們都對創造可以用于實際系統的協議充滿熱情，也都對理論和系統實踐有著一定經驗。Dahlia顯然比我擁有更多的經驗和更深刻的認識，我從她身上學到了很多。令人感動的是，她對我的思考和每一個建議都認真加以考慮，并且也充分信任我的一些觀點——這使得我憑借自己對系統和這個行業的理解能有所施展。

例如Facebook的Libra技術文檔中反復提到的「起搏器」，就是由我提出并取的名字。當時我看到HotStuff框架提供了一次從算法層面對共識安全和性能的機會，然后在第一次描述算法時就將保證系統安全的部分抽離出來，然后將與具體應用相關的heuristics部分分離成為一個「起搏器」，來拯救Liveness。

這一點，毫無疑問，是談論HotStuff無法避開的有趣話題。

我真心期待這個「尤物」，能夠讓無論是國外還是國內的巨頭，抑或是創業公司，能夠真正構建實際的拜占庭容錯系統。毫無疑問，Facebook首先嘗了鮮。

我們在2018年向他們推薦了「尤物」，而后如技術文檔中所說，在考慮了市面上諸多其他算法后，他們作出了決定。

與此同時，我也向一些國內的創業公司宣傳了算法。遺憾的是我跟國內大公司并沒有機會接觸，只聽說他們在共識上栽了不少跟頭。

諷刺的是，如今的市場上，極大一部分區塊鏈公司并沒有實現所謂的區塊鏈，遑論拜占庭容錯。殘酷的現實就是，就算從Google、Facebook或是阿里、騰訊等公司抓出最優秀的程序員，其中能夠熟練掌握Paxos、且知曉如何從頭構建這樣高效系統的人屈指可數。

但是我們不要感到灰心喪氣，因為這反而是對國內產業的一個前所未有的，趕超世界最領先水平的機遇。除比特幣和以太坊之外，一個合格的、成熟的新BFT容錯系統尚未誕生，誰將摘取這個王冠——更確切的是，哪些公司將彎道超車，這尚未可知。

我希望「尤物」能夠拋磚引玉，為此鋪平道路。

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