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如果說什么是區(qū)塊鏈的靈魂，那一定是共識機制。

它是區(qū)塊鏈的根基。無論公鏈或是聯(lián)盟鏈，共識機制都從基礎(chǔ)上限制了區(qū)塊鏈的交易處理能力和擴展性。

2019年6月18日，F(xiàn)acebook 發(fā)布了自己 Libra 項目的白皮書，引發(fā)廣泛關(guān)注。作為 Facebook 試圖創(chuàng)造國際流通數(shù)字貨幣的重要項目，Libra 區(qū)塊鏈采用的是 LibraBFT 共識機制，是一個為 Libra 設(shè)計的魯棒的高效的狀態(tài)復(fù)制系統(tǒng)。它基于一種新型的 BFT 共識算法，HotStuff。

就在 Facebook Libra 項目白皮書發(fā)布之前不久，5月17日，比原鏈發(fā)布了 BaaS 平臺 Bystack。這是一個一主多側(cè)鏈架構(gòu)的商用區(qū)塊鏈系統(tǒng)，主鏈采用 PoW 共識保證多樣資產(chǎn)安全和去中心化，側(cè)鏈提供可插拔的共識以滿足不同業(yè)務(wù)需求。同時，Bystack 本身還針對側(cè)鏈獨創(chuàng)了一種 DPoS+BBFT 的共識算法。

同樣是 BFT 類共識機制，LibraBFT 和 BBFT 兩者有什么不同呢？

區(qū)塊鏈共識機制的意義和現(xiàn)狀

共識（Consensus）是分布式系統(tǒng)中節(jié)點對數(shù)據(jù)或網(wǎng)絡(luò)最終狀態(tài)達成的協(xié)議。由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和節(jié)點狀態(tài)的不可控，共識機制需要同時考慮性能、可靠性、安全性等多方面問題。

共識機制從大的方面，可分為 PoW 等中本聰共識機制，和拜占庭容錯（BFT）類共識機制兩大類。BFT 共識機制廣泛應(yīng)用于各類聯(lián)盟鏈。

PoW 共識在非許可（Permissionless）鏈上應(yīng)用廣泛，但是它的概率模型在提供較高可靠性的同時，犧牲了效率，浪費了大量計算資源。在具體商業(yè)應(yīng)用環(huán)境中，許可（Permissioned）機制已經(jīng)保證了一定程度上的節(jié)點可信度（Semi-Trust）。這樣的前提下，用戶更關(guān)心執(zhí)行效率（TPS）和最終確定性（Finality）。這是BFT共識在聯(lián)盟鏈中流行的原因。

BFT共識機制

BFT（ Byzantine Fault Tolerance）即拜占庭容錯。它是分布式計算容錯技術(shù)。

由于硬件錯誤、網(wǎng)絡(luò)擁塞或中斷、以及遭到惡意攻擊等原因，計算機和網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)不可預(yù)料的行為。拜占庭容錯技術(shù)被設(shè)計用來處理這些異常，在容錯的基礎(chǔ)上達成共識。

與從比特幣衍生出的中本聰共識不同，在BFT類協(xié)議中，一旦達成共識，則直接形成確定性結(jié)果，而不是中本聰共識的概率上的最終一致。

BFT 類共識在金融場景及聯(lián)盟鏈場景中應(yīng)用甚廣。同時隨著技術(shù)進步，公有鏈場景下應(yīng)用的 BFT 共識也在不斷出現(xiàn)。

PBFT 共識機制

實用拜占庭容錯算法（Practical Byzantine Fault Tolerance Algorithm，PBFT）是首個實用的在異步分布式網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)拜占庭容錯的共識算法。

PBFT 算法可工作在異步環(huán)境中，并且優(yōu)化了原始拜占庭容錯算法效率不高的問題，將算法復(fù)雜度由指數(shù)級降低到多項式級，使得拜占庭容錯算法在實際系統(tǒng)應(yīng)用中變得可行——這點已得到廣泛驗證。PBFT 算法可以在失效節(jié)點不超過總數(shù)1/3的情況下同時保證一致性（Safety）和交付保證（Liveness）。

無論 Facebook Libra 的 LibraBFT 共識協(xié)議，還是比原鏈 Bystack 的 BBFT共識機制，都在底層上充分吸收了 PBFT 的優(yōu)點，采用了已有的經(jīng)過時間驗證的處理方式，并在 PBFT 的一些短板和不足之處分別做出了各自不同方向的革新。

Facebook Libra 的 LibraBFT 共識協(xié)議

前面已經(jīng)說到，Libra 采用基于 HotStuff 的 LibraBFT 共識。

HotStuff 是一個三階段的 BFT 算法。它將視圖切換流程和正常流程進行合并，不再有單獨視圖切換流程，降低了視圖切換的復(fù)雜度。

在 HotStuff 中切換視圖時，系統(tǒng)中的某個節(jié)點無需確認「足夠多的節(jié)點希望進行視圖切換」這一消息再通知新的主節(jié)點，而是可以直接切換到新視圖并通知新主節(jié)點。HotStuff 把確認「足夠多的節(jié)點希望進行視圖切換」這一消息的行為放進了正常流程中。由此把 PBFT 的兩階段確認擴展成了三階段確認。

HotStuff 的另一個重要改變，是將 PBFT 的網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡(luò)拓撲變成了星形通信網(wǎng)絡(luò)拓撲。HotStuff 中，每次通信都依靠主節(jié)點。節(jié)點不再通過 p2p 網(wǎng)絡(luò)將消息廣播給其它節(jié)點，而是將消息發(fā)送給主節(jié)點，由主節(jié)點處理后發(fā)送給其它節(jié)點。得益于星型通信網(wǎng)絡(luò)拓撲，系統(tǒng)的通信復(fù)雜度大大降低。和 PBFT 類似，主節(jié)點會提議進行狀態(tài)遷移，其它節(jié)點收到該狀態(tài)遷移要求后，會檢查其合法性。

LibraBFT 在 3f+1 個驗證節(jié)點之間收集投票，這些驗證者可能是誠實的節(jié)點也可能是拜占庭節(jié)點。在網(wǎng)絡(luò)中存在 2f+1 個誠實節(jié)點的前提下，Libra能夠抵御 f 個驗證節(jié)點的雙花攻擊和分叉攻擊。

LibraBFT在一個有全局統(tǒng)一時間（GST），并且網(wǎng)絡(luò)最大延時（ΔT）可控的部分同步網(wǎng)絡(luò)中是有效的。并且，LibraBFT在所有驗證節(jié)點重啟的情況下，也能夠保證網(wǎng)絡(luò)一致性。

比原鏈 Bystack 的 BBFT共識機制

根據(jù) Bystack 白皮書，BBFT 是一種基于實用拜占庭容錯 PBFT 的衍生共識，是一種分層拜占庭容錯共識算法。在保證拜占庭容錯，即允許少量節(jié)點（f≤N/3）作惡的情況下，具有以下特性：

（1）配置性（Configurable）

采用模塊化可插拔設(shè)計，按需配置，并在一定程度上保證對新技術(shù)的兼容（Future-Proof）。

這是 Bystack 的一個核心競爭點?？珂湼拍罱鼛啄暌恢庇惺艿綇V泛關(guān)注，也是區(qū)塊鏈發(fā)展的重要方向。支持模塊化的插拔，使得 Bystack 擁有跨鏈方向的想象空間，有能力形成一個真正擴展性強、能兼容其他主流共識機制的區(qū)塊鏈系統(tǒng)。

這樣的兼容能力使得 BBFT 有能力讓其他的聯(lián)盟鏈公鏈成為自己的側(cè)鏈，讓自己不僅僅是一個區(qū)塊鏈操作系統(tǒng)，而且形成一個區(qū)塊鏈操作系統(tǒng)生態(tài)。這樣一來，想象空間就大了。

不過當然，要達到這樣的程度，技術(shù)實現(xiàn)上可能任重道遠。兼容性是一個動輒消耗大量研發(fā)成本的方向，它不難，但是繁瑣。BBFT 很難一步登頂一開始就做到最好，目前只能一步一步來。

（2）適應(yīng)性（Adaptive）

即針對不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供穩(wěn)定的執(zhí)行效率。

BFT 需要節(jié)點之間互相交換驗證結(jié)果以取得多數(shù)共識。一般來說，每個節(jié)點需要得到足夠多（≥(2/3)*N）的來自其他節(jié)點的回復(fù)才能做出有效判斷。網(wǎng)絡(luò)延時直接影響信息交互效率，特別在跨地域跨境應(yīng)用中，延時將成為網(wǎng)絡(luò)運行的瓶頸。

在 BBFT 中，共識節(jié)點維護當前網(wǎng)絡(luò)拓撲，按最短路徑原理相近的節(jié)點采取優(yōu)先通信。對通信的聚合可以進一步降低延時。同時類似PBFT，BBFT 中領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點（Leader）的角色被弱化，共識節(jié)點拿到超過2/3票數(shù)就可以做出判定，從而在領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點通信受到阻塞的情況下，也不會對整個網(wǎng)絡(luò)決策產(chǎn)生巨大影響。

（3）擴展性（Scalable）

保證共識復(fù)雜度隨網(wǎng)絡(luò)容量線性（Linear）或低于線性（Sub-Linear）增加。

一方面共識節(jié)點越多網(wǎng)絡(luò)的可靠性相對越高；另一方面，傳統(tǒng) PBFT 中節(jié)點通信的復(fù)雜度 O(N^2) 隨網(wǎng)絡(luò)容量指數(shù)級增長，極大限制了節(jié)點數(shù)目。BBFT中對消息的有效聚合可以有效減少消息發(fā)送的次數(shù)，從而保證 O(N) 的復(fù)雜度要求。與網(wǎng)絡(luò)拓撲相結(jié)合，可以把網(wǎng)絡(luò)分割為多層結(jié)構(gòu)，消息數(shù)據(jù)可以在同層內(nèi)有效共享，以多簽聚合的形式跨層傳播。多簽信息驗證可以使用現(xiàn)有的成熟的

方案，例如基于 Shnorr 簽名的 MuSig 算法，可以在保證多簽驗證效率的同時，抵御Rogue Key Attack攻擊。

（4）異構(gòu)性（Heterogeneous）

分離共識的驗證和通信。

共識達成需要驗證和通信，但兩者并沒有很強的關(guān)聯(lián)。采取低耦合的共識框架可以進一步提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和效率。

驗證模塊往往取決于具體用戶邏輯，對算力和安全性都有一定要求。通信模塊和用戶邏輯相對獨立，主要處理網(wǎng)絡(luò)連接和請求。網(wǎng)絡(luò)拓撲和最短路徑的計算和選擇可以在這里完成。由于和用戶邏輯無關(guān)，通信模塊可以以抽象層（AbstractionLayer）或者中間件（Middleware）的形式和驗證對接。

異構(gòu)帶來的優(yōu)勢還體現(xiàn)在用最優(yōu)的工具做最適合的事。驗證和通信允許運行在不同的系統(tǒng)上、不同的操作環(huán)境中，針對不同硬件的算力優(yōu)勢和安全保證（TrustZone）來發(fā)揮最大效能。

BBFT 的兩大主要特點在于：

多層結(jié)構(gòu)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)進行分層。傳統(tǒng) BFT 是單層結(jié)構(gòu)，只有一個領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點和若干處于同等地位的共識節(jié)點。BBFT 的創(chuàng)新在于大領(lǐng)導(dǎo)下面還有小領(lǐng)導(dǎo)，如果領(lǐng)導(dǎo)出問題，不至于對網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大影響，相當于弱化了領(lǐng)導(dǎo)的作用。而且由于是多層結(jié)構(gòu)，可以把網(wǎng)絡(luò)通信分流再組合，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信的延時和數(shù)量。

傳統(tǒng) PBFT 的通信復(fù)雜度是指數(shù)級的，難以擴展，網(wǎng)絡(luò)里面隨著節(jié)點數(shù)暴漲，整個網(wǎng)絡(luò)延遲可能很嚴重。BBFT 通過分層和加密簽名的聚合，對整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效組合，可以保證通信復(fù)雜度線性增長，而不是指數(shù)級增長。

可配置性。Bystack 上的側(cè)鏈工程其實分三個模塊，一是底層共識算法，二是網(wǎng)絡(luò)劃分，三是簽名聚合。其中，網(wǎng)絡(luò)劃分和簽名聚合是相對獨立的模塊，可以使用不同的網(wǎng)絡(luò)分層算法、簽名聚合算法與共識層的算法進行搭配。可以根據(jù)具體用戶場景靈活選用不同的合理方案。

LibraBFT vs BBFT：共同和差異

LibraBFT 將 PBFT 的網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡(luò)拓撲變成了星形通信網(wǎng)絡(luò)拓撲，以降低系統(tǒng)通信復(fù)雜度；BBFT則使用多層結(jié)構(gòu)把網(wǎng)絡(luò)通信分流再組合，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信的延時和數(shù)量。

LibraBFT 將視圖切換流程和正常流程進行了合并，把 PBFT 的兩階段確認擴展成了三階段確認；BBFT 則將經(jīng)典 BFT 算法中產(chǎn)生、預(yù)最終狀態(tài)與最終狀態(tài)三個狀態(tài)修改為只有一個最終確認狀態(tài)。

兩者都可看做是 PBFT 共識的升級，吸收了現(xiàn)有 BFT 類共識的成果和優(yōu)點，并在此基礎(chǔ)上做出不同方向的擴展。LibraBFT 共識機制更多是 PBFT 基礎(chǔ)上的一種革新，更多關(guān)注算法本身，對 PBFT 有很多修改和優(yōu)化的方面；BBFT 更多是在層級上進行分層控制，更多是一種系統(tǒng)全局思維。BBFT 希望達到的，不只是一種高效的共識機制，更是能融合其他共識機制的共識機制。維度上，BBFT 是可以讓 LibraBFT 直接接入，在側(cè)鏈上利用對方所有優(yōu)勢的。LibraBFT 是第一序改變，BBFT 是第二序改變。

可以明顯看出，Bystack 更加關(guān)注利用好現(xiàn)有共識機制，將不同的共識機制整合、取長補短，這在 Bystack 整體架構(gòu)上表現(xiàn)就十分突出，比如主側(cè)鏈采用不同共識并有機結(jié)合、側(cè)鏈使用 DPoS＋BBFT 的混合共識算法并具備可配置性……Bystack 不只是想做區(qū)塊鏈的操作系統(tǒng)，它實際上有做操作系統(tǒng)的操作系統(tǒng)的意思。

區(qū)塊鏈共識機制的研究，已經(jīng)進行很長一段時間，但從 PoW 共識提出到現(xiàn)在，并沒有說得上范式突破的進展。

也許讓區(qū)塊鏈兼容其他鏈的共識機制，實現(xiàn)平滑跨鏈，讓任何一條鏈都可以作為一個側(cè)鏈接入進來，可以成為區(qū)塊鏈方向的一個范式突破，帶來全新的想象空間。也許這也是現(xiàn)在跨鏈概念比較火爆的原因。

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