LIB:技術干貨 | 詳解Libra區塊鏈及其共識協議

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Libra區塊鏈簡介

Libra區塊鏈的目標是成為金融服務的基礎,包括打造一種新的全球支付系統,滿足數十十億人的日常金融需求。通過對現有區塊鏈解決方案的評估,Libra決定基于下列三項要求構建一個新的區塊鏈:

能夠擴展到數十億帳戶,這要求區塊鏈具有極高的交易吞吐量和低延遲等特點,并擁有一個高效且高容量的存儲系統。

高度安全可靠,可保障資金和金融數據的安全。

靈活多變,為未來金融服務創新提供動力。

Libra區塊鏈就是為了了全面滿足這些要求,并從現有項目和研究中獲得的經驗教訓為基礎。Libra區塊鏈的三項核心決策:

設計和使用Move編程語言。

使用拜占庭容錯(BFT)共識機制。

迭代改善已廣泛采用的區塊鏈數據結構

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設計和使用Move編程語言

“Move”是一種新的編程語言,用于在Libra區塊鏈中實現自定義交易邏輯和“智能合約”。由于Libra協會的目標是有朝一日為數十億人服務,因此Move語言的設計首先考慮到安全性和可靠性。Libra開發團隊從以往區塊鏈平臺中發生的與智能合約相關的安全事件中吸取經驗教訓,從而創造的一種新的智能合約編程語言Move。

Move從本質上令人更加輕松地編寫符合作者意圖的代碼,從而降低了出現意外漏洞或安全事件的風險。具體而言,Move從設計上可防止數字資產被復制。它使得將數字資產限制為與真實資產具有相同屬性的“資源類型”成為現實:每個資源只有唯一的所有者,資源只能花費一次,并限制創建新資源。

Move語言還便于自動驗證交易是否滿足特定屬性。例如,僅更改付款人和收款人帳戶余額的付款交易。通過優先實現這些特性,Move可幫助保持Libra區塊鏈的安全性。Move?允許輕松和安全地定義Libra網絡的核心元素,例如支付傳輸和驗證節點的管理。最后,Move?是將合規機制(例如促進旅行規則合規和協議級制裁篩選的機制)構建到Libra網絡中的一種方式。

鏈上云合伙人Andy Wang：技術、運營、服務是開交易所必不可缺的元素:金色財經報道，9月24日，鏈上ChainUP三周年峰會于深圳舉辦，鏈上云合伙人Andy Wang演講表示，在區塊鏈行業，底層是用戶，之上有媒體和服務，還有社區以及公鏈，但圍繞這個行業最核心的是資產和資金。交易平臺是區塊鏈+金融的第一應用，是行業食物鏈的頂端，也是資金和資產流轉的核心場景，而技術、運營、服務是開交易所三個必不可缺的元素。[2020/9/24]

Libra協會致力于對智能合約實施適當的審查和風險控制。首先,只有協會批準和發布的智能合約才能與Libra支付系統直接交互。隨著時間的推移,協會將探索適當的控制措施,以允許第三方方發布智能合約。

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使用拜占庭容錯(BFT)共識機制

Libra區塊鏈采用了基于LibraBFT共識協議的BFT機制,來實現所有驗證者節點就將要執行的交易及其執行的順序達成一致。這種機制實現了三個重要目標:

首先,它可以在網絡中建立信任,因為即使某些驗證者節點(最多三分之一的網絡)被破壞或發生故障,BFT共識協議的設計也能夠確保網絡正常運行。

第二,與其他一些區塊鏈中使用的“工作量證明”機制相比,這類共識協議還可實現高交易處理量、低延遲和更高能效的共識方法。

第三,LibraBFT協議有助于清楚地描述交易的最終性,因此當參與者看到來自足夠數量驗證者的交易確認時,他們可以確保交易已經完成。

BFT的安全性取決于驗證者的質量,因此協會將對潛在驗證者進行盡職調查。Libra網絡的設計以安全第一為原則,并考慮到了復雜的網絡和關鍵基礎設施攻擊。

該網絡的結構是為了加強驗者運行軟件的保證,包括利用關鍵代碼分離等技術、測試共識算法的創新方法以及對依賴關系的謹慎管理。最后,Libra網絡將定義在出現嚴重漏洞或需要升級時重新配置Libra區塊鏈的策略及過程。

經濟日報：運用區塊鏈等前沿技術推動城市管理:4月27日，經濟日報刊文“良好的城市治理展現現代化水平”。文章表示，只有充分借力互聯網等信息技術手段來分析人口流動、產業需求、交通資訊等各種動態信息，善于運用大數據、云計算、區塊鏈、人工智能等前沿技術推動城市管理手段、管理模式、管理理念創新，才能讓城市更聰明、更智慧。特別是要充分利用信息技術打破傳統城市管理部門和行政區劃之間的界線，實現信息資源共享，進而避免因“數據孤島”人為地增加治理成本。[2020/4/27]

除了在這些情況下確保系統的安全恢復之外,這種準備將阻止攻擊,因為攻擊者將知道他們的行為可以被反擊。

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迭代改善已廣泛采用的區塊鏈數據結構

為了保障所存儲的交易數據的安全,Libra區塊鏈中的數據會受到默克爾樹(Merkle?tree)的保護,它是一種已在其他區塊鏈中被廣泛使用的數據結構,可以偵測到現有數據的任何變化。與以往將區塊鏈視為交易區塊集合的區塊鏈項目不同,Libra區塊鏈是一種單一的數據結構,其可?期記錄交易歷史和狀態。這種實現方式簡化了訪問區塊鏈的應用程序的工作量,允許它們從任何時間點讀取任何數據,并使用統一框架驗證該數據的完整性。

上述設計決策的一個結果是,Libra區塊鏈將提供公共可驗證性,這意味著任何人(驗證者、Libra網絡、虛擬資產服務提供商(VASP)、執法部門或任何第三方)都可以審核所有操作的準確性。交易將以加密方式簽名,以便即使所有驗證者都被破壞,也不能接受來自具有安全簽名密鑰的偽造交易。該設計與硬件密鑰管理和高價值密鑰的離線存儲兼容。

上述設計決策的另一個結果是,Libra區塊鏈將支持一種隱私方方法,該方法將考慮網絡上參與者的多樣性。協會會監督Libra區塊鏈協議和網絡的發展,并在考慮適用的監管要求的同時,不斷評估新技術以增強區塊鏈上的隱私合規性。

聲音 | 盤和林：區塊鏈等技術加速發展 數字經濟在經濟發展中扮演重要角色:1月20日，中南財經政法大學數字經濟研究院執行院長盤和林發文《以發展新技術為抓手，克服產業升級技術瓶頸》，文中指出，當前全球新一輪工業革命正處于即將取得突破的關鍵時期，新一代信息技術5G已經開始商用，人工智能、區塊鏈等新興技術正在加速發展，數字經濟在促進經濟高質量發展中扮演越來越重要的角色，這些新技術、新產業、新經濟形態，對于我國的產業升級而言，都是可以培育和發展成為新的支撐力和新動能的。[2020/1/20]

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LibraBFT詳解

5.1概述

Libra的共識機制采用的是LibraBFT共識，是一個為Libra設計的健壯、高效的狀態復制系統。它基于一種新型的BFT共識算法，HotStuff(BFTConsensusinLensofBlockchain)，在擴展性和一致性上達到了較高的水平。LibraBFT在HotStuff的基礎上引入顯示活躍度的機制并提供了具體的延時分析。

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。在網絡中有2f+1個誠實節點的前提下，Libra能夠抵御f個驗證節點的雙花攻擊和分叉攻擊。

LibraBFT在一個有全局統一時間，并且網絡最大延時可控的PartialSynchrony的網絡中是有效的。并且，LibraBFT在所有驗證節點都重啟的情況下，也能夠保證網絡的一致性。

為了能夠更好地理解LibraBFT，我們回顧一下PBFT和HotStuff共識協議。

聲音 | 四方精創：公司已在數字貨幣相關領域進行了多年技術儲備:四方精創（SZ300468）在互動平臺回復投資者提問表示，不同數字貨幣形態的差異主要體現在發行機構、流通范圍和適用場景方面，而底層技術原理是類似或相通的。公司已在相關領域進行了多年技術儲備，并將繼續在法律、政策許可的范圍內積極探索相關應用場景。[2019/10/15]

5.2PBFT

原始的拜占庭容錯系統由于需要展示其理論上的可行性而缺乏實用性，另外需要額外的時鐘同步機制支持，算法的復雜度也是隨節點增加而指數級增加。CastroandLiskov在1999年提出實用拜占庭容錯系統，降低了拜占庭協議的運行復雜度，從指數級別降低到多項式級別，使拜占庭協議在分布式系統中應用成為可能。

PBFT是一類狀態機拜占庭系統，要求整個系統共同維護一個狀態，所有節點采取的行動一致。為此，需要運行三類基本協議，包括一致性協議、檢查點協議和視圖更換協議。視圖轉換協議保證共識協議的活性。當主節點出故障時能保證共識能繼續進行。PBFT的視圖轉換協議是非常復雜的，涉及到很多消息的重傳。HotStuff的最重要的改進，主要是針對視圖更換的協議。

?5.3HotStuff

HotStuff的基本假設是系統有固定的節點數n=3f+1，其中f是系統能容忍的最大拜占庭節點數。系統通信是點對點的認證和可靠通信。網絡通信的假設是半同步，也就是說，網絡有一個知道的延遲D，以及一個不知道的全網穩定時間，當GST過后，任意兩個節點之間的通信都將在D時間內完成。HotStuff能總保證正確性，在GST后的消息時延在一定限度內能保證活性。

HotStuff采用門限簽名機制，門限設置是。n個節點中所有的節點共用一個公鑰，但每一個節點有自己的私鑰。每個節點用自己的私鑰簽名消息m，叫部分簽名消息，多個節點的部分簽名消息可以用來生成一個聯合簽名消息，當至少有k=2f+1個節點提供部分簽名消息時，其它任何一個節點能用公鑰驗證該聯合簽名消息。其中f是系統能容忍的拜占庭節點總數，n=3f+1。

聲音 | 周云杰兩會提案：在區塊鏈等方面要有原創性技術突破:據新浪財經消息，3月7日上午，全國人大代表、海爾集團總裁周云杰以《以工業互聯網的創新引領，實現換道超車》為題做了發言，并對工業互聯網的創新提出建議，其中表示，建議解決好工業互聯網創新中，單一技術創新與整體架構創新之間的關系，要實現在單一技術領域上的引領，比如在人工智能、大數據、物聯網（NB-IOT）、5G、區塊鏈、標識解析、時間敏感網絡（TSN）、信息安全、網絡安全等方面，要有原創性技術突破。[2019/3/9]

HotStuff論文中提出一個“認證復雜度”的概念。認證復雜度簡單來說，統計協議交互時通信的認證消息數，也就是部分簽名或聯合簽名消息的個數。

HotStuff兩個重要的優點

一個是linearity，指的是通信的復雜程度和節點數成線性關系；

另一個是responsiveness，指的是當網絡通信成為同步的時候，HotStuff能產生正確的Leader來推動協議在網絡延遲的實際值內而非最大值達到共識。

HotStuff在原先諸多的BFT共識協議中提升了效率，降低了復雜度。基于這些特性，HotStuff適合于構建大規模的狀態復制服務。因此，不難看出，Libra從眾多的區塊鏈共識算法中挑選HotStuff，看中的是HotStuff的效率、線性的擴展性，以及拜占庭容錯的安全性。

這也體現了Libra的平衡術–在去中心、安全、擴展性這個棘手的區塊鏈三難問題上，巧妙的選擇一個平衡點。

5.4LibraBFT

嚴格說來，LibraBFT是基于HotStuff的一個變種，叫鏈式HotStuff。鏈式HotStuff是在基本HotStuff上引入流水線概念，進一步提升效率的一個改進共識協議。libraBFT最初會選擇一些在不同地理上分布的創始成員做共識節點，以后逐漸的，共識節點會對外開放，并基于libra穩定幣的多少來選擇共識節點，也就是轉變成PoS機制。

libraBFT的共識流程是分為不同輪次，每一輪中一個Leader主節點被選出。主節點會提議一個區塊，里面包括多個交易。該區塊將廣播給其它共識節點。其它共識節點會驗證區塊里的交易，并對其投票。主節點收到大多數節點的投票后，主節點把確認消息發給所有共識節點確認。如果主節點沒收到大多數投票，或者主節點出現故障，副本共識節點的定時將超時，副本節點會發起新的一輪提議。

libraBFT在HotStuff基礎上的改進主要在于提供一個詳細的參與同步輪次的Pacemaker設計和實現。并提供對實際交易確認的活性分析。LibraBFT提供對共識節點投票權力的重配置機制。同時它給出了對提議節點和投票節點激勵的機制。白皮書給出了如何檢測投票節點破壞正確性的行為，為今后在協議中加入懲罰機制打下基礎。同時白皮書也詳細討論如何做同步，使得投票節點能同步它們的狀態。libraBFT白皮書采用Rust語言來描述協議。

在LibraBFT中，為了更好地支持Libra生態系統的目標，LibraBFT以多種方式擴展和調整了核心HotStuff協議和實現。重要的是，LibraBFT重新定義了安全條件，并提供了安全、存活度和更高響應度的擴展證明。LibraBFT還實現了一些附加功能。

首先，通過讓驗證器對塊的結果狀態(而不僅僅是交易序列)進行集體簽名，LibraBFT使協議更能抵抗非確定性錯誤。還允許客戶端使用法定人數證書來驗證讀取的數據庫。

其次，LibraBFT設計了一個發出明確超時的起搏器，驗證器依靠法定人數來進入下一輪-不需要同步時鐘。

第三，LibraBFT打算設計一個不可預測的領導者選舉機制，其中一輪的領導者由最新提交的塊的提議者使用可驗證的隨機函數VRF確定。這種機制限制了攻擊者可以針對領導者發起有效拒絕服務攻擊的時間窗口。

第四，LibraBFT使用聚合簽名來保留簽署仲裁證書的驗證者的身份。這使我們能夠為有助于仲裁證書的驗證人提供激勵，聚合簽名也不需要復雜的密鑰閾值設置。

5.5實現細節

LibraBFT共識組件最主要的是實現了Actor程序模型，它使用消息傳遞在不同的子組件之間進行通信，其中tokio框架用作任務運行時。Actor模型的主要例外是(因為它是由幾個子組件并行訪問的)是共識數據結構BlockStore，它管理塊、執行、仲裁證書和其他共享數據結構。共識組件中的主要子組件是：

TxnManager是內存池組件的接口，支持拉取交易以及刪除已提交的交易。提議者使用來自內存池中的按需拉取交易來形成提議塊。

StateComputer是訪問執行組件的接口。它可以執行塊，提交塊，并可以同步狀態。

BlockStore維護提議塊樹，塊執行，投票，仲裁證書和持久存儲。它負責維護這些數據結構組合的一致性，并且可以由其他子組件同時訪問。

EventProcessor負責處理各個事件(例如,process_new_round,process_proposal,process_vote).它公開每個事件類型的異步處理函數和驅動協議。

Pacemaker負責共識協議的活躍性。它由于超時證書或仲裁證書而改變輪次，并在它是當前輪次的提議者時提出阻止。

SafetyRules負責共識協議的安全性。它處理仲裁證書和分類信息以了解新的提交，并保證遵循兩個投票規則—即使在重啟的情況下。

所有共識消息都由其創建者簽名，并由其接收者驗證。消息驗證發生在離網絡層最近的地方，以避免無效或不必要的數據進入協商一致協議。

06?

總結

Libra區塊鏈的架構設計汲取了Bitcoin和Ethereum的兩大區塊鏈技術的精華，使用了新的智能合約語言。如果把Bitcoin的腳本指令比作匯編語言，那么Ethereum的Solidity就是類似于JavaScript的動態語言,匯編語言效率最高但難于編寫，動態語言靈活強大但容易產生難于覺察的bug,這兩種語言用來編寫和金融相關的業務都不是最優的。Move語言借鑒了Rust語言的所有權管理機制，在編寫智能合約時既保證了安全性又不失靈活性。

libraBFT基于鏈式HotStuff，其確認規則遵從3-chain的確認規則。libra能在眾多的共識協議中選擇HotStuff，顯示了libra團隊的眼光，以及在區塊鏈三難問題上巧妙的平衡術。libraBFT繼承了HotStuff，使得它的共識協議具有正確性,在半同步網絡下的活性，最終性；同時具有通信線性復雜度和響應性。

Libra的實現也展示了簡易性和模塊化的實現。同時也體現了sustainability，不需要工作量證明以降低能耗。

參夸文獻：

《Libra白皮書2.0》

《LibraBFT共識協議》

來源丨BitTribeLab?作者丨孫海濤

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