Facebook Libra采用的 HotStuff 算法 究竟是怎樣一種尤物_HOT

鏈聞專訪HotStuff論文第一作者尹茂帆。

Facebook近日公布的Libra白皮書引起各界持續關注，其網站公開的技術文檔也被諸多專家審視。文檔提到，Libra區塊鏈將使用基于拜占庭容錯共識的「LibraBFT」共識算法，而LibraBFT則是「HotStuff」的一個變種。

Libra區塊鏈所采用的LibraBFT共識協議的技術論文

這個名為HotStuff的算法，究竟是怎樣一種「尤物」呢？

順藤摸瓜，我們發現，HotStuff算法論文由云計算公司VMWare的研究團隊發表，其安全性及可用性已經過完整的數學證明。論文作者有5人，分別為MaofanYin、DahliaMalkhi、MichaelK.Reite、GuyGolanGueta、IttaiAbraham。

HotStuff算法論文

https://arxiv.org/pdf/1803.05069.pdf

其實「HotStuff」算法論文的第一作者尹茂帆是鏈聞的老朋友。今年僅僅25歲的尹茂帆本科畢業于上海交大，目前在美國康奈爾大學大學讀博士學位，當前的主攻方向是分布式系統的基礎研究，導師是著名計算機科學家EminGunSirer，另一導師是RobbertvanRenesse。尹茂帆也是另一個市場頗為矚目的新項目AvaLabs的聯合創始人和首席系統架構師。

“Facebook第一夫人”遭遇調查:6月12日消息，據報道，Facebook母公司Meta正在調查首席運營官、被稱為Facebook二號人物的雪莉·桑德伯格（Sheryl Sandberg）。c調查涉及對桑德伯格多年來將Facebook資源用于個人事務的更廣泛審查。稍早之前，桑德伯格在當地時間6月1日宣布，將辭去Meta首席運營官(COO)一職。[2022/6/12 4:19:55]

在Facebook正式發布Libra白皮書之后，尹茂帆接受了鏈聞的專訪，他為我們詳解了HotStuff的奧妙。

首次進入分布式共識算法領域的人，很容易被一大堆名詞繞暈。而深入鉆研，你會發現這些名詞背后有著各種各樣的命名故事。比如DLS算法就是三位作者的縮寫：Dwork、Lynch和Stockmeyer。而PBFT算法就是「實用拜占庭容錯」的首字母縮寫，BFT自然就是「拜占庭容錯」了。那么，這個物種的新人HotStuff的名字到底怎么來的呢？

尹茂帆解釋說，之所以取名為HotStuff，是因為這個單詞在英文里有三重意思：一是性感的人，一是炙手可熱的好東西，一是某個動畫里的小惡魔的名字。大家都知道，以太坊下一代共識算法Casper之名，也是來自一個動畫角色。所以，HotStuff可以和它相映成趣了。

Elon Musk：將解決Twitter加密垃圾郵件機器人問題，但不喜歡Facebook的方式:金色財經報道，在特斯拉創始人Elon Musk被披露持有社交媒體巨頭Twitter公司9.2%股份后，加密社區用戶@Pranay Pathole向他提出需要解決Twitter上的加密垃圾郵件機器人的問題，因為這些機器人程序真的很煩人并建議改進Twitter驗證系統。

Elon Musk對此表示：的確如此，這也是他個人覺得Twitter上最煩人的一個問題。之后，Meta（原Facebook）首席技術官Boz回應稱：Facebook很早就解決了這個問題，只需包含一個已被編輯的指示器以及更改日志就可以。不過，Elon Musk回復說：Facebook讓我感到神經恐懼且有不適感。[2022/4/5 14:05:03]

在接受鏈聞采訪時，尹茂帆靈機一動，把這個詞的中文翻譯為尤物。所以本文標題的尤物，可不是嘩眾取寵。尹茂帆說，尤物有兩層意思，一是絕世美女，一是奇珍異寶。HotStuff翻譯成尤物，簡直天造地設。

據介紹，HotStuff已經在一個具有100多個副本的網絡上進行過部署，超過了BFT-SMaRt的吞吐量，同時保持著與之相當的延遲，而在更為實際的測試中性能均超過后者。

分析 | 若Facebook整合開源加密貨幣而非試圖自己占領市場 將更有可能成功:針對Facebook的Libra，Everipedia聯合創始人Sam Kazemian在接受采訪時發表看法，“我認為這是一個有趣的計劃，但令人失望的是，他們正試圖創建自己的（聯盟/半集中式）加密貨幣，而不是采用完全去中心化、開放的標準，如BTC、ETH和EOS等。如果他們整合了開源加密貨幣，而不是試圖自己占領市場，他們將有更大的成功機會。”（Cryptoslate）[2019/9/22]

和其他分布式系統的共識協議相比，HotStuff到底有哪些優點呢？以下是鏈聞記者和尹茂帆的問答：

鏈聞：關于分布式系統的共識協議，大致可分為兩類，一類是以比特幣為代表的區塊鏈算法，一類是經典的BFT算法。兩者在應用條件和性能方面，有哪些大的差異和優劣？

尹茂帆：兩者的區別大致可以分為五個方面：1）成員信息；2）性能，包括吞吐量，延遲等；3）抗女巫攻擊(Sybilattack)——中本聰共識自帶抗女巫攻擊，而經典的BFT需要額外的PoS或者PoW；4）可擴容性；5）安全性，即概率vs確定性。

中本聰共識的優點是，無需提前知道共識的所有參與者，不要求精確的成員信息。因為共識的一部分采用了PoW，所以天生就對女巫攻擊具有一定免疫。而且，中本聰共識的算法十分簡單，普通人稍具數學基礎，就可以理解。中本聰共識也容易擴容，在10個結點和1000個結點上受到的性能損失較小

動態 | 澳新銀行：Facebook的Libra并非銀行克星:據Itnews消息，澳新銀行（ANZ）已就Facebook的加密貨幣Libra發表了看法，盡管該行未指出該項目的破綻，但它已發現了一些令人擔憂的弱點。 該銀行機構投資組合管理主管James Culham就Facebook“Libra將比其他加密貨幣更穩定”的言論評價稱：除非Libra與當前的金融體系合作，否則它將無法實現這一承諾。James還補充道，Libra的設計并不能使其免受市場沖擊。[2019/7/16]

中本聰共識的缺點也很明顯。因為PoW的難度和等待鏈長度跟安全性有關，從根本上說性能很差，交易確認延遲大也無法改變。現有的所有基于中本聰共識的「魔改」協議，其實只能增加吞吐量。而拋開延遲談吞吐量，意義不大。好比我可以開一個卡車運一車硬盤來運送數據，雖然是超高吞吐量，但也是超高延遲。

在安全性方面，和傳統BFT共識相比，中本聰共識只提供概率的安全保證，而BFT則是100%安全。這里說的安全，或者稱為一致性，就是能否避免雙花。其實，比特幣出六個塊能發生雙花的概率并不像大家想的那么低，有高達13%的概率出現共識失敗(即BFT中的30%節點的情況)。以此來看，如果要公平比較的話，中本聰共識的效率非常之低。

動態 | Facebook與高盛，摩根大通和富達等多家大型金融公司就Libra項目進行接洽:據CoinDesk記者Nikhilesh De推特消息兩位知情人士透露，Facebook與高盛，摩根大通和富達等多家大型金融公司就此參與該項目進行了接洽。花旗集團(Citi)首席執行官Michael Corbat上周曾被記者提問是否會參與Facebook的Libra項目，他回答說會研究一下，并透露Facebook在推出該計劃前并未聯系花旗。[2019/6/26]

再來看經典BFT共識，其前提或者說缺點是，需要知道所有參與者，要求100%精確的成員信息。另外，經典BFT共識相對較難擴容。在HotStuff前，大部分經典BFT都需要所有結點廣播，這帶來了平方級別的復雜度。增加大量結點會導致網絡擁塞。而且，其中的Leader結點會承受整個網絡的負載，導致難以擴容到成千上萬個結點而沒有太大性能損失。

BFT共識的優點則在于，因為共識沒有使用無意義的PoW，所以，經典BFT共識的協議速度跟網絡發送大量短消息的速度相關，沒有中本聰共識那種額外的能源消耗和等待時間。交易延遲非常小，如果不考慮網絡延遲，交易在數十至數百毫秒級別，如果考慮網絡延遲，就跟網絡延遲同數量級。

鏈聞：你們論文在開篇聲稱，HotStuff基于一個新的框架，這個框架在經典BFT基礎和區塊鏈之間搭建了一座橋梁。如何理解這句話？

尹茂帆：我們的論文名為《尤物協議：透過區塊鏈看拜占庭容錯共識》。

之所以這么描述，是因為它的算法框架采用了樹/鏈式結構，十分類似區塊鏈。另外，和傳統區塊鏈類似，一個結點當前也有被視作「主鏈」的一根鏈，投票只會投給當前認為主鏈上擴展的新部分。和區塊鏈一樣，如果側鏈足夠「好」，那么它就會變成新的主鏈。在區塊鏈里面，這個是通過鏈長度來判定的，而在HotStuff中，它通過最近一次成功獲得大部分投票的塊決定。

另一方面，HotStuff又是傳統BFT體系下的一員。用此算法框架可以很好地解釋PBFT、DLS、Tendermint、Casper等協議，達到了一定程度上的歸納和統一。另外，跟之前同類型算法最大區別也是最大貢獻的地方是——HotStuff的核心換屆算法沒有特殊情況；不像PBFT那樣有「正常」的執行流程以及「特殊」的換屆流程，HotStuff統一了兩者，即沒有顯式的換屆特殊處理，也可以認為是潛在地處處換屆。這使得編寫一個基于HotStuff的共識系統的基礎安全部分十分容易。對比PBFT的數千行換屆代碼，HotStuff只需要幾十或百余行即可。

另一個它較同類型算法更優異的特點是，它對工程師們十分友好。它將保證正確性和保證性能的邏輯從算法層面上就進行了解耦合。一旦安全性保證的幾十行代碼完成，剩下的根據具體應用場景的優化都不會再觸及這部分，使得系統始終安全。

鏈聞：PBFT算法可以在互聯網等異步環境中運行，一些優化也使它較以前的共識算法更快。但它也有一些問題，比如檢測不良主要節點和重新選擇新主要節點的過程非常低效。比如為了達成共識，PBFT需要平方級別的消息交換，這意味著每臺計算機都必須與網絡中其他所有計算機進行通信。總之，PBFT的擴容性顯然不夠。HotStuff對這些問題有哪些解決方案？

尹茂帆：首先，HotStuff將換屆的代價首次從平方級降低至線性復雜度，這意味著它和Paxos/Raft這些在IT行業廣泛使用的非BFT協議一樣，擁有一致的復雜度。另外，雖然理論上Tendermint等協議可以通過結合數字簽名來降低到同樣復雜度，但是，這些協議本質上需要在塊與塊間等待最大的可能網絡延遲，使得實際實現出來的系統變成了一個同步系統。而HotStuff思路跳出了原有的框架，提出了一個極簡的算法體系，使得它可以很容易地打破這個傳統BFT的魔咒。經過測試，它可以在保證簡單代碼實現、低理論復雜度的情況下打敗現有的最快的傳統BFT實現，在商用系統方面具有無限潛力。

鏈聞：Facebook的Libra白皮書提出，Libra區塊鏈是從“許可型區塊鏈”起步的，未來目標是成為非許可型網絡。由許可型轉向非許可型，目前有可行的技術路徑嗎？難點在于擴容還是在于能否抗女巫攻擊？

尹茂帆：理論上來說，任何許可協議都可以轉化成非許可型協議。因為傳統的共識協議，都可以通過共識本身來重新配置以增加/刪除結點。但是因為潛在的女巫攻擊，這種基于精確成員信息的協議，需要額外依賴一個PoS或者PoW的進入機制來開放系統。

HotStuff共識的其他實施

除了Facebook，其他一些區塊鏈項目也已經決定使用HotStuff共識。其中一個是公鏈項目Cypherium。有趣的是，Cypherium項目聲稱可以實現非許可型的擴展——如果這個嘗試成真，意味著這可以為Facebook提出的轉型路線圖，提供了一種解決方案。

Cypherium首席執行官SkyGuo接受鏈聞采訪中解釋了這里面的要點：

他說，與Libra未來計劃轉型為PoS不同的是，Cypherium的主網將設計成PoWHotStuff的混合共識機制。

通常來講，區塊鏈共識分為兩個過程：選舉領導者、打包與驗證區塊。傳統項目里這兩個過程由同一種共識機制實現。而Cypherium在第一個過程中選用了PoW共識，用于選擇領導者節點。任何計算設備均可以通過挖礦的方式成為Cypherium的驗證節點而不依賴于受信任的第三方。每當有礦工成功挖到PoW時，驗證委員會當中時間最老的節點離開委員會，新的礦工成為驗證委員，實現永久性的動態輪換。而第二個過程，則選用了效率較高的HotStuff共識來打包和驗證區塊。相應地，Cypherium設計了選舉鏈交易鏈的雙鏈架構。SkyGuo聲稱，Cypherium共識CypherBFT可以做到完全去中心化、交易順時最終確認、支持億級用戶的應用場景。

封面圖片來自：JoannaNowak

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