鏈聞專訪 HotStuff 論文第一作者尹茂帆。Facebook 近日公布的 Libra 白皮書引起各界持續(xù)關(guān)注，其網(wǎng)站公開的技術(shù)文檔也被諸多專家審視。文檔提
鏈聞專訪 HotStuff 論文第一作者尹茂帆。
Facebook 近日公布的 Libra 白皮書引起各界持續(xù)關(guān)注，其網(wǎng)站公開的技術(shù)文檔也被諸多專家審視。文檔提到，Libra區(qū)塊鏈將使用基于拜占庭容錯共識的「LibraBFT」共識算法，而 LibraBFT 則是「HotStuff」的一個變種。
Libra 區(qū)塊鏈所采用的 LibraBFT 共識協(xié)議的技術(shù)論文
這個名為 HotStuff 的算法，究竟是怎樣一種「尤物」呢?
順藤摸瓜，我們發(fā)現(xiàn)，HotStuff 算法論文由云計算公司 VMWare 的研究團隊發(fā)表，其安全性及可用性已經(jīng)過完整的數(shù)學(xué)證明。論文作者有 5 人，分別為 Maofan Yin、Dahlia Malkhi、Michael K. Reite、Guy Golan Gueta、Ittai Abraham。
HotStuff 算法論文
https://arxiv.org/pdf/1803.05069.pdf
其實「HotStuff」算法論文的第一作者尹茂帆(Ted Yin)是鏈聞的老朋友。今年僅僅 25 歲的尹茂帆本科畢業(yè)于上海交大，目前在美國康奈爾大學(xué)(Cornell)大學(xué)讀博士學(xué)位，當(dāng)前的主攻方向是分布式系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，導(dǎo)師是著名計算機科學(xué)家 Emin Gun Sirer，另一導(dǎo)師是 Robbert van Renesse。
在 Facebook 正式發(fā)布 Libra 白皮書之后，尹茂帆接受了鏈聞的專訪，他為我們詳解了 HotStuff 的奧妙。
首次進入分布式共識算法領(lǐng)域的人，很容易被一大堆名詞繞暈。而深入鉆研，你會發(fā)現(xiàn)這些名詞背后有著各種各樣的命名故事。比如 DLS 算法就是三位作者的縮寫：Dwork、Lynch 和 Stockmeyer。而 PBFT 算法就是「實用拜占庭容錯」的首字母縮寫（Practical Byzantine Fault Tolerance），BFT 自然就是「拜占庭容錯」了（下文將統(tǒng)一使用 BFT）。那么，這個物種的新人 HotStuff 的名字到底怎么來的呢？
尹茂帆解釋說，之所以取名為HotStuff，是因為這個單詞在英文里有三重意思：一是性感的人，一是炙手可熱的好東西，一是某個動畫里的小惡魔的名字。大家都知道，以太坊下一代共識算法 Casper 之名，也是來自一個動畫角色。所以，HotStuff 可以和它相映成趣了。
在接受鏈聞采訪時，尹茂帆靈機一動，把這個詞的中文翻譯為尤物。所以本文標(biāo)題的尤物，可不是嘩眾取寵。尹茂帆說，尤物有兩層意思，一是絕世美女，一是奇珍異寶。HotStuff 翻譯成尤物，簡直天造地設(shè)。
據(jù)介紹，HotStuff 已經(jīng)在一個具有 100 多個副本的網(wǎng)絡(luò)上進行過部署，超過了 BFT-SMaRt 的吞吐量，同時保持著與之相當(dāng)?shù)难舆t，而在更為實際的測試中性能均超過后者。
和其他分布式系統(tǒng)的共識協(xié)議相比，HotStuff 到底有哪些優(yōu)點呢？
鏈聞：關(guān)于分布式系統(tǒng)的共識協(xié)議，大致可分為兩類，一類是以比特幣為代表的區(qū)塊鏈算法（或者稱為中本聰共識），一類是經(jīng)典的 BFT 算法（如 DLS、PBFT）。兩者在應(yīng)用條件和性能方面，有哪些大的差異和優(yōu)劣？
尹茂帆：兩者的區(qū)別大致可以分為五個方面：1)成員信息;2)性能，包括吞吐量，延遲等;3)抗女巫攻擊(Sybil attack)——中本聰共識自帶抗女巫攻擊，而經(jīng)典的 BFT 需要額外的 PoS 或者 PoW;4)可擴容性;5)安全性，即概率 vs 確定性。
中本聰共識的優(yōu)點是，無需提前知道共識的所有參與者，不要求精確的成員信息。因為共識的一部分采用了 PoW(工作量證明)，所以天生就對女巫攻擊具有一定免疫。而且，中本聰共識的算法十分簡單，普通人稍具數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，就可以理解。中本聰共識也容易擴容，在 10 個結(jié)點和 1000 個結(jié)點上受到的性能損失較小(一方面是因為不需要廣播投票，另一方面是因為它本來就很慢，見以下解釋。)
中本聰共識的缺點也很明顯。因為 PoW 的難度和等待鏈長度跟安全性有關(guān)，從根本上說性能很差，交易確認(rèn)延遲大也無法改變。現(xiàn)有的所有基于中本聰共識的「魔改」(換湯不換藥的擴容)協(xié)議，其實只能增加吞吐量。而拋開延遲談吞吐量，意義不大。好比我可以開一個卡車運一車硬盤來運送數(shù)據(jù)，雖然是超高吞吐量，但也是超高延遲。
在安全性方面，和傳統(tǒng) BFT 共識相比，中本聰共識只提供概率的安全保證，而 BFT 則是 100% 安全。這里說的安全，或者稱為一致性，就是能否避免雙花。其實，比特幣出六個塊能發(fā)生雙花的概率并不像大家想的那么低，有高達 13% 的概率出現(xiàn)共識失敗 (即 BFT 中的 30% 節(jié)點的情況)。以此來看，如果要公平比較的話，中本聰共識的效率非常之低。(六個塊已經(jīng)耗時一個小時了。)
再來看經(jīng)典 BFT 共識，其前提或者說缺點是，需要知道所有參與者，要求 100% 精確的成員信息。另外，經(jīng)典 BFT 共識相對較難擴容。在 HotStuff 前，大部分經(jīng)典 BFT 都需要所有結(jié)點廣播，這帶來了平方級別的復(fù)雜度(包括 Tendermint 論文里面描述的算法)。增加大量結(jié)點會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。而且，其中的 Leader 結(jié)點會承受整個網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載(負(fù)載極其不均衡)，導(dǎo)致難以擴容到成千上萬個結(jié)點而沒有太大性能損失。
BFT 共識的優(yōu)點則在于，因為共識沒有使用無意義的 PoW，所以，經(jīng)典 BFT 共識的協(xié)議速度跟網(wǎng)絡(luò)發(fā)送大量短消息的速度相關(guān)，沒有中本聰共識那種額外的能源消耗和等待時間。交易延遲非常小，如果不考慮網(wǎng)絡(luò)延遲，交易在數(shù)十至數(shù)百毫秒級別，如果考慮網(wǎng)絡(luò)延遲，就跟網(wǎng)絡(luò)延遲同數(shù)量級。
鏈聞：你們論文在開篇聲稱，HotStuff 基于一個新的框架，這個框架在經(jīng)典 BFT 基礎(chǔ)和區(qū)塊鏈之間搭建了一座橋梁。如何理解這句話？
尹茂帆：我們的論文名為《尤物協(xié)議：透過區(qū)塊鏈看拜占庭容錯共識》(HotStuff: BFT Consensus in the Lens of Blockchain)。
之所以這么描述，是因為它的算法框架(可以誕生多個衍生算法)采用了樹 / 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，十分類似區(qū)塊鏈。另外，和傳統(tǒng)區(qū)塊鏈類似，一個結(jié)點當(dāng)前也有被視作「主鏈」的一根鏈，投票只會投給當(dāng)前認(rèn)為主鏈上擴展的新部分。和區(qū)塊鏈一樣，如果側(cè)鏈足夠「好」，那么它就會變成新的主鏈。在區(qū)塊鏈里面，這個是通過鏈長度來判定的(長者勝)，而在HotStuff 中，它通過最近一次成功獲得大部分投票的塊決定。
另一方面，HotStuff 又是傳統(tǒng) BFT 體系下的一員。用此算法框架可以很好地解釋 PBFT、DLS、Tendermint、Casper 等協(xié)議，達到了一定程度上的歸納和統(tǒng)一。另外，跟之前同類型算法最大區(qū)別也是最大貢獻的地方是——HotStuff 的核心換屆算法沒有特殊情況;不像 PBFT 那樣有「正?！沟膱?zhí)行流程以及「特殊」的換屆流程，HotStuff 統(tǒng)一了兩者，即沒有顯式的換屆特殊處理，也可以認(rèn)為是潛在地處處換屆。這使得編寫一個基于 HotStuff 的共識系統(tǒng)的基礎(chǔ)安全部分十分容易。對比 PBFT 的數(shù)千行換屆代碼，HotStuff 只需要幾十或百余行即可。
另一個它較同類型算法更優(yōu)異的特點是，它對工程師們十分友好。它將保證正確性和保證性能的邏輯從算法層面上就進行了解耦合。一旦安全性保證的幾十行代碼完成，剩下的根據(jù)具體應(yīng)用場景的優(yōu)化(包括換屆機制，政策)都不會再觸及這部分，使得系統(tǒng)始終安全。
鏈聞：
尹茂帆：首先，HotStuff 將換屆的代價首次從平方級降低至線性復(fù)雜度，這意味著它和 Paxos/Raft 這些在 IT 行業(yè)廣泛使用的非 BFT 協(xié)議一樣，擁有一致的復(fù)雜度。另外，雖然理論上 Tendermint 等協(xié)議可以通過結(jié)合數(shù)字簽名來降低到同樣復(fù)雜度，但是，這些協(xié)議本質(zhì)上需要在塊與塊間等待最大的可能網(wǎng)絡(luò)延遲，使得實際實現(xiàn)出來的系統(tǒng)變成了一個同步系統(tǒng)。
而 HotStuff 思路跳出了原有的框架，提出了一個極簡的算法體系，使得它可以很容易地打破這個傳統(tǒng) BFT 的魔咒。經(jīng)過測試，它可以在保證簡單代碼實現(xiàn)、低理論復(fù)雜度的情況下打敗現(xiàn)有的最快的傳統(tǒng) BFT 實現(xiàn)，在商用系統(tǒng)方面具有無限潛力。
鏈聞：
尹茂帆：理論上來說，任何許可協(xié)議都可以轉(zhuǎn)化成非許可型協(xié)議。因為傳統(tǒng)的共識協(xié)議(無論是 BFT 還是非 BFT)，都可以通過共識本身來重新配置以增加 / 刪除結(jié)點。但是因為潛在的女巫攻擊，這種基于精確成員信息的協(xié)議，需要額外依賴一個 PoS 或者 PoW 的進入機制來開放系統(tǒng)。
