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

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穩定幣Diem旗下部門正研究STARK證明程序:5月8日消息，Facebook 穩定幣 Diem 旗下支付部門 Novi Financial 在 GitHub 建立了一個名為“Winterfell”的代碼庫，這是一個關于分布式 STARK 證明程序的實驗項目。據文檔介紹，STARK 是一種新穎的計算證明方案，用于創建高效的可驗證的計算正確執行的證明，不需要初始的可信設置，并且依賴于非常少的密碼學假設。文檔顯示計劃之后通過其他功能擴展該庫，包括分布式證明（Distributed prover）、完美的零知識證明（Perfect zero-knowledge），以及支持 WebAssembly。項目代號 Winterfell 可能來源于美國長篇史詩奇幻小說《冰與火之歌》，其中北境最古老家族史塔克（STARK）居住在臨冬城（Winterfell）。[2021/5/8 21:38:38]

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？

英國欲成立數字市場部門 監管谷歌、Facebook等數字科技平臺:11月27日消息，英國政府表示，計劃成立數字市場部門（DMU），以實施一套新準則來管理目前主導市場的數字平臺的行為，例如谷歌和Facebook。DMU將于2021年4月開始運轉，英國政府表示，DMU可能被賦予暫停、阻止和推翻大型科技公司決策的權力。DMU還可以命令科技巨頭采取某些行動以遵守準則，并對不遵守準則的行為處以財務處罰。（CNBC)[2020/11/27 22:20:42]

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。

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。

聲音 | 林嘉鵬：如果Facebook聽證會結果樂觀 比特幣或會出現較大幅度反彈:據AICoin查詢，在以往三次關于加密貨幣的聽證會中，都因聽證結果較樂觀而使比特幣價格大幅反彈。LinkVC創始人林嘉鵬在朋友圈稱，2013年的那場聽證會他印象十分深刻，議員們先是一頓噴，最后又肯定比特幣的創新，這使得比特幣從3000多元漲到了8000多元。今晚Facebook的第二場聽證會是否會重演這一出呢，值得投資者期待。[2019/7/17]

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

聲音 | 標準普爾：Facebook的Libra可能會遇到進一步的監管障礙:據The National消息，S&P（標準普爾）全球評級公司的報告稱，Facebook計劃的Libra加密貨幣不太可能成為儲備貨幣，因為它可能不會獲得必要的監管批準。“Libra解決了一些與加密貨幣作為交換和價值存儲手段相關的主要問題，如果成功，可能會擾亂一些金融服務活動——最為直接的是支付和資金轉移。我們看到其成功的主要障礙是，它是否會獲得全球所需的監管批準。我們預計監管立場會出現一些分歧。” 本周，國際金融穩定委員會、英國市場監管機構金融行為管理局與英格蘭銀行和全球發達經濟體七國集團（G7 group)一起表示，如果沒有仔細審查，他們不會允許Facebook推出Libra。 S&P表示，嚴格的檢查可能導致Libra首次推出的延遲或范圍有限，其推出目標時間是2020年上半年。此外，由于財政和宏觀經濟問題，政府“可能會阻止Libra成為中央銀行貨幣政策之外的平行信貸來源”。 此外，S&P指出，Libra的28個創始成員中沒有一家銀行。“在我們看來，這要么是對其潛在成功的懷疑和對相關風險的擔憂，要么是Libra可能對銀行業務和收入產生潛在負面影響的跡象。”[2019/6/27]

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。

聲音 | Dan Nathan：Facebook的穩定幣或推動其以完全不同的方式進入中國，而不依賴于社交網絡:據AMBCrypto消息，CNBC Fast Money小組成員Dan Nathan引用了RBC資本市場關于Facebook進軍加密貨幣世界的觀點，他表示，社交媒體巨頭Facebook有兩個動機：支付和商業。在商業方面，Nathan解釋，在亞洲，Facebook已經擁有該地區每月約10億活躍用戶，是北美用戶群的4倍，因此有巨大的資金流入潛力。他表示，這不是關于手機上的硬件，而是關于應用程序的可操作性；并補充說中國已經成功地將支付和商業整合到其本土社交網絡微信中。因此，他推測，新的穩定幣可能會創造一種情景，推動Facebook以完全不同的方式進入中國，而不依賴于社交網絡。 注：加拿大皇家銀行資本市場（RBC Capital Markets）在給投資者的報告中解釋，Facebook擁有一個“加密機遇”，該公司對這家科技巨頭即將發布的加密貨幣聲明寄予厚望。分析師Mark Mahaney在報告中表示，“我們認為，這可能是Facebook歷史上最重要的舉措之一，其目的是開啟新的業務和收入來源。我們相信Facebook將通過加密來促進一個支付、商業、應用及游戲平臺。[2019/6/16]

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。

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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