BBFT與FBFT/HotStuff的區(qū)別有哪些

本篇內(nèi)容介紹了“BBFT與FBFT/HotStuff的區(qū)別有哪些”的有關(guān)知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

前言

近日比原鏈(BYTOM)技術(shù)團(tuán)隊發(fā)布了Bystack區(qū)塊鏈BaaS平臺，其中包括側(cè)鏈的共識算法BBFT(Bystack Byzantine Fault Tolerance)。筆者將在這篇文章中闡述比原鏈BBFT嘗試解決的問題以及分析BBFT與其他各家共識協(xié)議的主要差異。BBFT是一個PBFT的變形，它的原理與PBFT一脈相承。若想深刻理解BBFT的巧思，則必須進(jìn)入PBFT的脈絡(luò)推敲。早在區(qū)塊鏈藉由比特幣的大紅大紫之前，PBFT就作為共識協(xié)議存在于世界上了。由Castro和Liskov于1999年發(fā)明，它是一個具有20年歷史的經(jīng)典設(shè)計，它的發(fā)明是為了解決分布式系統(tǒng)中的一個經(jīng)典問題：拜占庭將軍問題。直到今日，PBFT仍蘊含許多值得反復(fù)推敲的巧思，不斷啟發(fā)后世發(fā)明出更好的協(xié)定。

PBFT基本的運作流程

PBFT是一個具有二輪投票的三階段協(xié)議，每個視域(View)都會有一個特定的節(jié)點作為領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(Primary/Leader)，負(fù)責(zé)通知所有節(jié)點進(jìn)入投票流程。各節(jié)點則會經(jīng)歷Pre-prepare/Prepare/Commit這三個階段，并依據(jù)接收的訊息決定是否投票/進(jìn)入下一階段，每個節(jié)點投完票后將訊息發(fā)給所有其他的節(jié)點。若個節(jié)點在兩階段投票之后取得多數(shù)共識，則各節(jié)點可以更新本機(jī)的狀態(tài)，結(jié)束這一回合。 視域變換(View-change)僅當(dāng)多數(shù)節(jié)點發(fā)起時執(zhí)行，當(dāng)目前的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點并未正常執(zhí)行任務(wù)時，這可以替換當(dāng)前的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點，保證協(xié)議正常運作。

PBFT的特性

PBFT與中本聰共識(區(qū)塊鏈)有相當(dāng)不同的特性：PBFT是一個許可制的、基于領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點的、基于通訊的、安全性重于活躍性的共識協(xié)定。

• 許可制的(Permissioned)：PBFT并非完全開放的，這是由于PBFT需要讓節(jié)點能夠驗證彼此的訊息以及精準(zhǔn)掌握節(jié)點的數(shù)量，區(qū)塊鏈則是屬于對任何人都開放的非許可制(Permissionless)。

• 基于領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點的(Leader-based)：也就是先決定領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(Leader)，再由領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點送出提議，這樣做最直接的好處就是不需要浪費自己的運算資源去爭取當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點的機(jī)會，然而缺點就是只有在視域變換時才輪替領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點，成為領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點的機(jī)會并不公平，缺乏加入網(wǎng)絡(luò)的誘因；區(qū)塊鏈則是在多個提案中選擇工作證明難度最高的區(qū)塊作為共識，雖然這樣會造成運算資源的浪費，但是成為出塊者的機(jī)率大致是公平的，其與算力成正比。

• 基于通訊的(Communication-based)：PBFT的安全性奠基于3階段投票，雖然不必如工作證明般消耗大量計算資源，但數(shù)量龐大的通訊也造成可擴(kuò)展性的瓶頸——就算是號稱最實用的PBFT，也無法擴(kuò)展到1000個以上個節(jié)點。不僅如此，PBFT使用消息驗證代碼(MAC)，每投一輪票就需要每一個節(jié)點驗證一次訊息，大量的簽名/驗證也是另一個潛在的瓶頸。

• 安全性重于活躍性的(Safety over Liveness)：PBFT不論在何種網(wǎng)絡(luò)假設(shè)下(同步/異步)都能確保安全性，幾乎不可能出現(xiàn)分岔，因此具有實時敲定(Instant Finality)的特性；相對地，區(qū)塊鏈則是活躍性重于安全性，其安全性有賴于同步的網(wǎng)絡(luò)，而具有復(fù)數(shù)個共識(及分岔)的情況也相當(dāng)常見，需要經(jīng)過一定數(shù)量的區(qū)塊「確認(rèn)」才能保證其不再分岔的機(jī)率足夠大。

PBFT的問題

首先，PBFT中的每個節(jié)點都需于每一輪投票中做n-n的通訊，假設(shè)n為1000，則每一次的共識都需要至少100,000次的通訊，盡管PBFT已經(jīng)是BFT家族當(dāng)中最實用的協(xié)議，這么巨量的通訊需求仍是擴(kuò)展的瓶頸。

如何提升效率?

聚合簽名

為了提升效率，一個直覺的思路是：避免n-n的通訊。我們可以指定網(wǎng)絡(luò)中的某節(jié)點作為協(xié)調(diào)者來發(fā)送/接收每個節(jié)點的投票，這樣每個節(jié)點都只需要向協(xié)調(diào)者發(fā)送訊息即可，從而避免了n-n的通訊。然而，在這樣的情境下，協(xié)調(diào)者有作惡的可能，因為協(xié)調(diào)者可以在未確實接收到指定數(shù)量的訊息前便執(zhí)行下一輪投票或者進(jìn)行狀態(tài)更新。因此，我們可以使用門坎簽章(Threshold Signature)來保證協(xié)調(diào)者的正當(dāng)行為，門坎簽章的可以保證：需集合超過門坎數(shù)量(t-of-n)的簽章才有效。也就是說，我們可以指定：唯有當(dāng)協(xié)調(diào)者集合 2f+1 個門坎簽章后，協(xié)調(diào)者才能帶著合法的簽名繼續(xù)推進(jìn)共識。Harmony FBFT便是一個使用聚合簽名以提升效率的BFT家族協(xié)議。

圖1：FBFT Signature Aggregation

管線設(shè)計

每個內(nèi)容都必須經(jīng)過二輪投票/三個階段才能達(dá)成共識，如果有m個內(nèi)容就需要執(zhí)行2m次投票。管線設(shè)計(Pipelining)可以減少投票的次數(shù)，它的基本思路如下：讓每個節(jié)點在投第 i 輪的prepare階段時，同時也是對其前一個內(nèi)容 i-1 的commit階段投票。這樣做便可以節(jié)省對同一個內(nèi)容重復(fù)投票的冗余，大幅提升效率。這樣的思路首見于2018年發(fā)表的HotStuff協(xié)議。

圖2：HotStuff Pipelining

只讓部分節(jié)點參與共識：最小生成樹

另外一種提高效率的方法，就是避免使所有的節(jié)點參與共識，這也正是比原鏈BBFT采取的作法。在BBFT中，節(jié)點分為三種：Consensus Node/Gateway Node/Leader Node，這些節(jié)點形成樹的結(jié)構(gòu)，樹為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的最小生成樹(Minimal Spanning Tree)，可能由分布式算法得出，或是由外部服務(wù)提供。樹葉的節(jié)點即為Consensus Node；樹根為Leader Node；其他部分為Gateway Node。每種節(jié)點都有分別的任務(wù)：Consensus Node負(fù)責(zé)進(jìn)行投票；Gateway Node則不需參與投票，但必須負(fù)責(zé)聚合由Consensus Node送來的簽章；Leader Node負(fù)責(zé)與其他Leader Node交換訊息。BBFT的運作流程如下圖所示，BBFT的共識過程，便是訊息由樹根向樹葉傳播再回到樹根的過程。

圖3：BBFT: Minimal Spanning Tree

圖4：BBFT Process

如何確保正確性(Safety and Liveness)?

在為PBFT帶入新技術(shù)以提升效率的同時，也必須確保協(xié)議本身的安全性與活躍性。接下來我們來看看，上述的協(xié)議是如何確保這兩者。

視域變換(View-change)

FBFT沿用了PBFT的視域變換，即在正常情況下并不更換領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點，僅有當(dāng)超過2f+1個節(jié)點發(fā)起視域變換才會更迭領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點。視域變換雖然本身是一個能夠替換作惡領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點的機(jī)制，但它同時要求協(xié)議必須具有3個階段，才能保證協(xié)議的安全性(即不分岔)。

領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點輪替(Rotating Leader)

HotStuff另一方面則引入了領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點輪替的機(jī)制，在每個回合都更換領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點，如此來回避視域變換高額的通訊成本。領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點輪替也常見于許多BFT家族的協(xié)議，算是目前保障安全性機(jī)制的主流。

混合式(Hybrid)

比原鏈BBFT則取各家所長，同時應(yīng)用了視域變換與領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點輪替，等于是上了雙重保險。不過值得注意的是，目前的BBFT技術(shù)白皮書僅有一輪投票的模型，并未提出兩輪投票/三階段共識的模型。另外，領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點輪替的順序也將基于各節(jié)點的權(quán)益(Stake)，若節(jié)點出現(xiàn)違反協(xié)議的行為則該節(jié)點會遭受懲罰。

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