Facebook Libra采用的 HotStuff 算法 究竟是怎样一种尤物

链闻专访HotStuff论文第一作者尹茂帆。

Facebook近日公布的Libra白皮书引起各界持续关注，其网站公开的技术文档也被诸多专家审视。文档提到，Libra区块链将使用基于拜占庭容错共识的「LibraBFT」共识算法，而LibraBFT则是「HotStuff」的一个变种。

Libra区块链所采用的LibraBFT共识协议的技术论文

这个名为HotStuff的算法，究竟是怎样一种「尤物」呢？

顺藤摸瓜，我们发现，HotStuff算法论文由云计算公司VMWare的研究团队发表，其安全性及可用性已经过完整的数学证明。论文作者有5人，分别为MaofanYin、DahliaMalkhi、MichaelK.Reite、GuyGolanGueta、IttaiAbraham。

HotStuff算法论文

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

其实「HotStuff」算法论文的第一作者尹茂帆是链闻的老朋友。今年仅仅25岁的尹茂帆本科毕业于上海交大，目前在美国康奈尔大学大学读博士学位，当前的主攻方向是分布式系统的基础研究，导师是著名计算机科学家EminGunSirer，另一导师是RobbertvanRenesse。尹茂帆也是另一个市场颇为瞩目的新项目AvaLabs的联合创始人和首席系统架构师。

Facebook研发触摸传感器和类皮肤材料以支持其元宇宙野心:11月2日消息，Facebook联合创始人、现任Meta首席执行官马克·扎克伯格周一在Facebook上写道：我们设计了一个高分辨率的触摸传感器，并与卡内基梅隆大学合作打造了一种轻薄的机器人皮肤。这让我们距离逼真的虚拟形象和元宇宙中的实体交互更近了一步。这种被称为ReSkin的可变性塑料皮肤不到3毫米厚，成本相对低廉，内部含有可产生磁场的磁性颗粒。当它接触其他表面时，磁性颗粒的磁场会发生变化。传感器会记录下磁通量的变化，并将数据传输给AI软件，以分析相应的力度或触感。ReSkin可检测到来自宽度小于1毫米的物体的0.1牛顿的力。（CNBC）[2021/11/2 6:27:00]

在Facebook正式发布Libra白皮书之后，尹茂帆接受了链闻的专访，他为我们详解了HotStuff的奥妙。

首次进入分布式共识算法领域的人，很容易被一大堆名词绕晕。而深入钻研，你会发现这些名词背后有着各种各样的命名故事。比如DLS算法就是三位作者的缩写：Dwork、Lynch和Stockmeyer。而PBFT算法就是「实用拜占庭容错」的首字母缩写，BFT自然就是「拜占庭容错」了。那么，这个物种的新人HotStuff的名字到底怎么来的呢？

外媒：Facebook元宇宙将支持NFT:根据Facebook Connect 2021大会的演示文稿，该公司的元宇宙（metaverse）或将支持NFT。Facebook元宇宙产品负责人Vishal Shah表示：“这将使人们更容易销售NFT等限量版数字物体，在他们的数字空间中展示它们，甚至将它们安全地转售给下一个人。”（Coindesk）[2021/10/29 21:06:40]

尹茂帆解释说，之所以取名为HotStuff，是因为这个单词在英文里有三重意思：一是性感的人，一是炙手可热的好东西，一是某个动画里的小恶魔的名字。大家都知道，以太坊下一代共识算法Casper之名，也是来自一个动画角色。所以，HotStuff可以和它相映成趣了。

在接受链闻采访时，尹茂帆灵机一动，把这个词的中文翻译为尤物。所以本文标题的尤物，可不是哗众取宠。尹茂帆说，尤物有两层意思，一是绝世美女，一是奇珍异宝。HotStuff翻译成尤物，简直天造地设。

据介绍，HotStuff已经在一个具有100多个副本的网络上进行过部署，超过了BFT-SMaRt的吞吐量，同时保持着与之相当的延迟，而在更为实际的测试中性能均超过后者。

和其他分布式系统的共识协议相比，HotStuff到底有哪些优点呢？以下是链闻记者和尹茂帆的问答：

Facebook稳定币项目Diem Networks US就建立金融犯罪合规框架与K2 Integrity达成合作:金色财经报道，K2 Integrity宣布与Diem Networks US达成合作，以支持、初步领导并继续为Diem Networks US的金融情报部门FIF构建创新解决方案。 据悉，FIF旨在保护Diem支付网络(DPN) 免受非法金融活动的影响。Diem Networks US首席执行官Stuart Levey表示，设计一个设定了高金融犯罪合规标准的框架一直是Diem项目的首要任务之一，K2 Integrity的团队在该领域拥有丰富的经验。[2021/8/12 1:49:48]

链闻：关于分布式系统的共识协议，大致可分为两类，一类是以比特币为代表的区块链算法，一类是经典的BFT算法。两者在应用条件和性能方面，有哪些大的差异和优劣？

尹茂帆：两者的区别大致可以分为五个方面：1）成员信息；2）性能，包括吞吐量，延迟等；3）抗女巫攻击(Sybilattack)——中本聪共识自带抗女巫攻击，而经典的BFT需要额外的PoS或者PoW；4）可扩容性；5）安全性，即概率vs确定性。

中本聪共识的优点是，无需提前知道共识的所有参与者，不要求精确的成员信息。因为共识的一部分采用了PoW，所以天生就对女巫攻击具有一定免疫。而且，中本聪共识的算法十分简单，普通人稍具数学基础，就可以理解。中本聪共识也容易扩容，在10个结点和1000个结点上受到的性能损失较小

声音 | 美联储理事会理事：Facebook将Libra视为稳定币的概念仍有待验证:美国联邦储备理事会理事Lael Brainard今日对Facebook的Libra项目发起了讨论，称其面临“一系列法律和监管方面的核心挑战”。Brainard称，Facebook将Libra视为“稳定币”——一种与政府支持的货币或其他可靠资产挂钩的数字货币，以避免比特币等纯加密货币的剧烈波动——的概念仍有待验证，消费者的权益还不明确。“如果Facebook的Libra继续进行下去，代表着全球三分之一以上人口的活跃用户网络与不透明地与一篮子主权货币捆绑在一起的私人数字货币的发行相结合。”如果没有必要的保障措施，全球范围内的稳定币网络可能会将消费者置于危险之中。”（路透）[2019/12/18]

中本聪共识的缺点也很明显。因为PoW的难度和等待链长度跟安全性有关，从根本上说性能很差，交易确认延迟大也无法改变。现有的所有基于中本聪共识的「魔改」协议，其实只能增加吞吐量。而抛开延迟谈吞吐量，意义不大。好比我可以开一个卡车运一车硬盘来运送数据，虽然是超高吞吐量，但也是超高延迟。

在安全性方面，和传统BFT共识相比，中本聪共识只提供概率的安全保证，而BFT则是100%安全。这里说的安全，或者称为一致性，就是能否避免双花。其实，比特币出六个块能发生双花的概率并不像大家想的那么低，有高达13%的概率出现共识失败(即BFT中的30%节点的情况)。以此来看，如果要公平比较的话，中本聪共识的效率非常之低。

动态 | Facebook子公司Calibra已在FinCEN注册为MSB:据The Block消息，社交媒体巨头Facebook新宣布的加密货币子公司Calibra已在美国反监管机构美国金融犯罪执法网（FinCEN）注册。Calibra将为Libra加密货币提供一个数字钱包，今年2月在FinCEN注册为货币服务业务（MSB），地址位于加州门罗公园(Menlo Park)。 Calibra于2月在FinCEN注册为一家货币服务公司（MSB）。Calibra的MSB注册号是31000141265767。Calibra可能还需要在其运营所在的每个州获得州货币传输许可证，这取决于特定州的许可证要求和Calibra在该州的活动。[2019/6/19]

再来看经典BFT共识，其前提或者说缺点是，需要知道所有参与者，要求100%精确的成员信息。另外，经典BFT共识相对较难扩容。在HotStuff前，大部分经典BFT都需要所有结点广播，这带来了平方级别的复杂度。增加大量结点会导致网络拥塞。而且，其中的Leader结点会承受整个网络的负载，导致难以扩容到成千上万个结点而没有太大性能损失。

BFT共识的优点则在于，因为共识没有使用无意义的PoW，所以，经典BFT共识的协议速度跟网络发送大量短消息的速度相关，没有中本聪共识那种额外的能源消耗和等待时间。交易延迟非常小，如果不考虑网络延迟，交易在数十至数百毫秒级别，如果考虑网络延迟，就跟网络延迟同数量级。

链闻：你们论文在开篇声称，HotStuff基于一个新的框架，这个框架在经典BFT基础和区块链之间搭建了一座桥梁。如何理解这句话？

尹茂帆：我们的论文名为《尤物协议：透过区块链看拜占庭容错共识》。

之所以这么描述，是因为它的算法框架采用了树/链式结构，十分类似区块链。另外，和传统区块链类似，一个结点当前也有被视作「主链」的一根链，投票只会投给当前认为主链上扩展的新部分。和区块链一样，如果侧链足够「好」，那么它就会变成新的主链。在区块链里面，这个是通过链长度来判定的，而在HotStuff中，它通过最近一次成功获得大部分投票的块决定。

另一方面，HotStuff又是传统BFT体系下的一员。用此算法框架可以很好地解释PBFT、DLS、Tendermint、Casper等协议，达到了一定程度上的归纳和统一。另外，跟之前同类型算法最大区别也是最大贡献的地方是——HotStuff的核心换届算法没有特殊情况；不像PBFT那样有「正常」的执行流程以及「特殊」的换届流程，HotStuff统一了两者，即没有显式的换届特殊处理，也可以认为是潜在地处处换届。这使得编写一个基于HotStuff的共识系统的基础安全部分十分容易。对比PBFT的数千行换届代码，HotStuff只需要几十或百余行即可。

另一个它较同类型算法更优异的特点是，它对工程师们十分友好。它将保证正确性和保证性能的逻辑从算法层面上就进行了解耦合。一旦安全性保证的几十行代码完成，剩下的根据具体应用场景的优化都不会再触及这部分，使得系统始终安全。

链闻：PBFT算法可以在互联网等异步环境中运行，一些优化也使它较以前的共识算法更快。但它也有一些问题，比如检测不良主要节点和重新选择新主要节点的过程非常低效。比如为了达成共识，PBFT需要平方级别的消息交换，这意味着每台计算机都必须与网络中其他所有计算机进行通信。总之，PBFT的扩容性显然不够。HotStuff对这些问题有哪些解决方案？

尹茂帆：首先，HotStuff将换届的代价首次从平方级降低至线性复杂度，这意味着它和Paxos/Raft这些在IT行业广泛使用的非BFT协议一样，拥有一致的复杂度。另外，虽然理论上Tendermint等协议可以通过结合数字签名来降低到同样复杂度，但是，这些协议本质上需要在块与块间等待最大的可能网络延迟，使得实际实现出来的系统变成了一个同步系统。而HotStuff思路跳出了原有的框架，提出了一个极简的算法体系，使得它可以很容易地打破这个传统BFT的魔咒。经过测试，它可以在保证简单代码实现、低理论复杂度的情况下打败现有的最快的传统BFT实现，在商用系统方面具有无限潜力。

链闻：Facebook的Libra白皮书提出，Libra区块链是从“许可型区块链”起步的，未来目标是成为非许可型网络。由许可型转向非许可型，目前有可行的技术路径吗？难点在于扩容还是在于能否抗女巫攻击？

尹茂帆：理论上来说，任何许可协议都可以转化成非许可型协议。因为传统的共识协议，都可以通过共识本身来重新配置以增加/删除结点。但是因为潜在的女巫攻击，这种基于精确成员信息的协议，需要额外依赖一个PoS或者PoW的进入机制来开放系统。

HotStuff共识的其他实施

除了Facebook，其他一些区块链项目也已经决定使用HotStuff共识。其中一个是公链项目Cypherium。有趣的是，Cypherium项目声称可以实现非许可型的扩展——如果这个尝试成真，意味着这可以为Facebook提出的转型路线图，提供了一种解决方案。

Cypherium首席执行官SkyGuo接受链闻采访中解释了这里面的要点：

他说，与Libra未来计划转型为PoS不同的是，Cypherium的主网将设计成PoWHotStuff的混合共识机制。

通常来讲，区块链共识分为两个过程：选举领导者、打包与验证区块。传统项目里这两个过程由同一种共识机制实现。而Cypherium在第一个过程中选用了PoW共识，用于选择领导者节点。任何计算设备均可以通过挖矿的方式成为Cypherium的验证节点而不依赖于受信任的第三方。每当有矿工成功挖到PoW时，验证委员会当中时间最老的节点离开委员会，新的矿工成为验证委员，实现永久性的动态轮换。而第二个过程，则选用了效率较高的HotStuff共识来打包和验证区块。相应地，Cypherium设计了选举链交易链的双链架构。SkyGuo声称，Cypherium共识CypherBFT可以做到完全去中心化、交易顺时最终确认、支持亿级用户的应用场景。

封面图片来自：JoannaNowak

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