前言

近日比原鏈（BYTOM）技術(shù)團隊發(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)導節(jié)點（Primary/Leader），負責通知所有節(jié)點進入投票流程。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)點可以更新本機的狀態(tài)，結(jié)束這一回合。視域變換（View-change）僅當多數(shù)節(jié)點發(fā)起時執(zhí)行，當目前的領(lǐng)導節(jié)點并未正常執(zhí)行任務(wù)時，這可以替換當前的領(lǐng)導節(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）有相當不同的特性：PBFT是一個許可制的、基于領(lǐng)導節(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)導節(jié)點的（Leader-based）：也就是先決定領(lǐng)導節(jié)點（Leader），再由領(lǐng)導節(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領(lǐng)導節(jié)點的機會，然而缺點就是只有在視域變換時才輪替領(lǐng)導節(jié)點，成為領(lǐng)導節(jié)點的機會并不公平，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展性的瓶頸——就算是號稱最實用的PBFT，也無法擴展到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)，而具有復數(shù)個共識（及分岔）的情況也相當常見，需要經(jīng)過一定數(shù)量的區(qū)塊「確認」才能保證其不再分岔的機率足夠大。

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家族當中最實用的協(xié)議，這么巨量的通訊需求仍是擴展的瓶頸。

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。

· 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。

· 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負責進行投票；Gateway Node則不需參與投票，但必須負責聚合由Consensus Node送來的簽章；Leader Node負責與其他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。

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)導節(jié)點，僅有當超過2f+1個節(jié)點發(fā)起視域變換才會更迭領(lǐng)導節(jié)點。視域變換雖然本身是一個能夠替換作惡領(lǐng)導節(jié)點的機制，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)導節(jié)點輪替（Rotating Leader）

HotStuff另一方面則引入了領(lǐng)導節(jié)點輪替的機制，在每個回合都更換領(lǐng)導節(jié)點，如此來回避視域變換高額的通訊成本。領(lǐng)導節(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制的主流。

· 混合式（Hybrid）

比原鏈BBFT則取各家所長，同時應用了視域變換與領(lǐng)導節(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。

BBFT的挑戰(zhàn)

綜合以上的分析與比較，BBFT目前有幾個顯著的挑戰(zhàn)。首先，是最小生成樹的產(chǎn)生方式，如何同時兼顧去中心化與效率？其次是BBFT僅采取單輪投票作為共識，在引入視域變換的情況之下，可能會發(fā)生分岔，這樣的網(wǎng)絡(luò)也會遭受日蝕攻擊的威脅。最后，引入門坎簽章的前提下，勢必需要引入分布式私鑰生產(chǎn)協(xié)議（Distributed Key Generation）以共同生成私鑰，這部分于技術(shù)白皮書中尚未提及，卻是可能造成瓶頸的潛在因子。

結(jié)語

本篇文章簡介了PBFT的特性及其效能問題，并比較了FBFT/HotStuff/BBFT等協(xié)議針對效能問題的解決思路，最后歸納出比原鏈BBFT的未來挑戰(zhàn)，希望能幫助讀者更理解BBFT的精髓。

作者：Juin Chiu，Unitychain 研究員 & Taipei Ethereum Meetup共同組織者，目前的研究領(lǐng)域為共識協(xié)議/分片技術(shù)/自主身份等。