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Facebook Libra采用的 HotStuff 算法 究竟是怎樣一種尤物_UFF:BUFFDOGE

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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關注,其網站公開的技術文檔也被諸多專家審視。文檔提到,Libra區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區塊鏈所采用的LibraBFT共識協議的技術論文

這個名為HotStuff的算法,究竟是怎樣一種「尤物」呢?

順藤摸瓜,我們發現,HotStuff算法論文由云計算公司VMWare的研究團隊發表,其安全性及可用性已經過完整的數學證明。論文作者有5人,分別為MaofanYin、DahliaMalkhi、MichaelK.Reite、GuyGolanGueta、IttaiAbraham。

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是鏈聞的老朋友。今年僅僅25歲的尹茂帆本科畢業于上海交大,目前在美國康奈爾大學大學讀博士學位,當前的主攻方向是分布式系統的基礎研究,導師是著名計算機科學家EminGunSirer,另一導師是RobbertvanRenesse。尹茂帆也是另一個市場頗為矚目的新項目AvaLabs的聯合創始人和首席系統架構師。

“量子動力FACEGOOD”獲新一輪戰略融資:12月20日消息,“量子動力FACEGOOD”獲新一輪戰略融資,由行業頭部產業方領投,達瓦科技跟投,以及老股東馳星創投持續跟投。本輪融資將用于產品進一步研發、海內外商務拓展、人才招聘等。據介紹,量子動力FACEGOOD定位工業級3D表情動畫軟件,這也是元宇宙概念的核心底層技術。(鞭牛士)[2021/12/20 7:50:24]

在Facebook正式發布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域的人,很容易被一大堆名詞繞暈。而深入鉆研,你會發現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,BFT自然就是「拜占庭容錯」了。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。

Facebook支付和金融服務部門及產品將整合到Novi品牌:10月29日消息,Facebook支付和金融服務負責人David Marcus發推稱,“隨著Facebook更名為Meta,我們正在將支付和金融服務部門及產品整合到Novi品牌下。讓我來解釋一下這將意味著什么:十多年來,我們一直致力于通過我們的應用程序促進支付,在過去的12個月里,我們的產品已處理超過1000億美元的交易。這些體驗包括在美國通過Messenger進行個人對個人支付,在巴西和印度通過WhatsApp進行個人對個人支付,支持我們的捐贈產品,為商家結賬提供便利,使廣告客戶能夠輕松購買廣告,現在還允許通過Novi試點進行xborder支付。這些產品中有些屬于Facebook Pay品牌,有些是無品牌的,我們的錢包是以Novi品牌運營。因此,隨著時間的推移,我們將在Novi品牌下統一所有現有和未來的支付和金融服務體驗。隨著這一變化,我們也將組名從F2(Facebook Financial)變更為Novi。我們的使命仍然是讓世界各地的每個人都能進入世界金融體系,以加快金融包容性和經濟賦權。我對未來感到興奮,Novi將發揮作用,使人們和企業能夠以更多更便宜的方式轉移資金,并在元宇宙中為創作者和消費者進行創新。”

據此前報道,Facebook宣布更名為Meta,股票代碼將從12月1日起變更為“MVRS”,其元宇宙將支持NFT。[2021/10/29 6:18:33]

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。

聲音 | Abra首席執行官:比特幣ETF的推出將比Facebook的Libra快:據AMBCrypto今日報道,加密投資應用Abra首席執行官Bill Barhydt在最近的采訪中表示,他很驚訝比特幣ETF今年不會出現,如果高盛等公司決定這樣做,ETF可能會重見天日,因為它們似乎是SEC愿意支持的公司。Barhydt還稱,SEC的批準并不是加密貨幣領域的“終結和全部”,因為零售消費者可以通過其他方式獲得相同的風險敞口。Barhydt相信,比特幣ETF的推出將比Facebook的Libra快。[2019/11/14]

據介紹,HotStuff已經在一個具有100多個副本的網絡上進行過部署,超過了BFT-SMaRt的吞吐量,同時保持著與之相當的延遲,而在更為實際的測試中性能均超過后者。

和其他分布式系統的共識協議相比,HotStuff到底有哪些優點呢?以下是鏈聞記者和尹茂帆的問答:

鏈聞:關于分布式系統的共識協議,大致可分為兩類,一類是以比特幣為代表的區塊鏈算法,一類是經典的BFT算法。兩者在應用條件和性能方面,有哪些大的差異和優劣?

尹茂帆:兩者的區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(Sybilattack)——中本聰共識自帶抗女巫攻擊,而經典的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。

動態 | 美國總統特朗普會見Facebook CEO 扎克伯格 就相關監管問題進行討論:美國總統特朗普發布推特表示在白宮會見 Facebook創始人兼首席執行官馬克·扎克伯格。據悉,高級顧問 Dan Scavino 和 Jared Kushner 也同時參加了該會議。特朗普自擔任美國總統以來,已多次批評 Facebook,還在推特發布關于 Facebook的Libra項目觀點,稱 Facebook 將沒有什么地位或可靠性。由于 Facebook 正面臨越來越多關于其隱私和市場方面的調查,Facebook CEO 馬克·扎克伯格近日正在華盛頓與多名美國國會參議員會面,Facebook 發言人 Andy Stone 在一份聲明中表示,扎克伯格此次行程將與政策制定者會面,討論未來的互聯網監管情況。[2019/9/20]

中本聰共識的優點是,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,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,普通人稍具數學基礎,就可以理解。中本聰共識也容易擴容,在10個結點和1000個結點上受到的性能損失較小

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,從根本上說性能很差,交易確認延遲大也無法改變。現有的所有基于中本聰共識的「魔改」協議,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據,雖然是超高吞吐量,但也是超高延遲。

聲音 | CMC Markets:自Facebook公布Libra以來 客戶對加密貨幣的興趣增加:金融交易公司CMC Markets表示,自從Facebook宣布進入加密貨幣領域以來,客戶對加密貨幣越來越感興趣。CMC Markets在全球擁有約80000名客戶,該公司表示,自5月中旬以來有關數字資產的查詢數量大幅增加。該公司認為,Facebook公布Libra有助于提高公眾對比特幣等數字資產的認識,減少人們對許多加密貨幣是騙局的偏見。CMC發言人拒絕透露自公告發布以來交易量發生了多大變化。[2019/7/9]

在安全性方面,和傳統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%的概率出現共識失敗(即BFT中的30%節點的情況)。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。

再來看經典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,經典BFT共識相對較難擴容。在HotStuff前,大部分經典BFT都需要所有結點廣播,這帶來了平方級別的復雜度。增加大量結點會導致網絡擁塞。而且,其中的Leader結點會承受整個網絡的負載,導致難以擴容到成千上萬個結點而沒有太大性能損失。

BFT共識的優點則在于,因為共識沒有使用無意義的PoW,所以,經典BFT共識的協議速度跟網絡發送大量短消息的速度相關,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,如果不考慮網絡延遲,交易在數十至數百毫秒級別,如果考慮網絡延遲,就跟網絡延遲同數量級。

鏈聞:你們論文在開篇聲稱,HotStuff基于一個新的框架,這個框架在經典BFT基礎和區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《尤物協議:透過區塊鏈看拜占庭容錯共識》。

之所以這么描述,是因為它的算法框架采用了樹/鏈式結構,十分類似區塊鏈。另外,和傳統區塊鏈類似,一個結點當前也有被視作「主鏈」的一根鏈,投票只會投給當前認為主鏈上擴展的新部分。和區塊鏈一樣,如果側鏈足夠「好」,那么它就會變成新的主鏈。在區塊鏈里面,這個是通過鏈長度來判定的,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等協議,達到了一定程度上的歸納和統一。另外,跟之前同類型算法最大區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「正常」的執行流程以及「特殊」的換屆流程,HotStuff統一了兩者,即沒有顯式的換屆特殊處理,也可以認為是潛在地處處換屆。這使得編寫一個基于HotStuff的共識系統的基礎安全部分十分容易。對比PBFT的數千行換屆代碼,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,剩下的根據具體應用場景的優化都不會再觸及這部分,使得系統始終安全。

鏈聞:PBFT算法可以在互聯網等異步環境中運行,一些優化也使它較以前的共識算法更快。但它也有一些問題,比如檢測不良主要節點和重新選擇新主要節點的過程非常低效。比如為了達成共識,PBFT需要平方級別的消息交換,這意味著每臺計算機都必須與網絡中其他所有計算機進行通信。總之,PBFT的擴容性顯然不夠。HotStuff對這些問題有哪些解決方案?

尹茂帆:首先,HotStuff將換屆的代價首次從平方級降低至線性復雜度,這意味著它和Paxos/Raft這些在IT行業廣泛使用的非BFT協議一樣,擁有一致的復雜度。另外,雖然理論上Tendermint等協議可以通過結合數字簽名來降低到同樣復雜度,但是,這些協議本質上需要在塊與塊間等待最大的可能網絡延遲,使得實際實現出來的系統變成了一個同步系統。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BFT的魔咒。經過測試,它可以在保證簡單代碼實現、低理論復雜度的情況下打敗現有的最快的傳統BFT實現,在商用系統方面具有無限潛力。

鏈聞:Facebook的Libra白皮書提出,Libra區塊鏈是從“許可型區塊鏈”起步的,未來目標是成為非許可型網絡。由許可型轉向非許可型,目前有可行的技術路徑嗎?難點在于擴容還是在于能否抗女巫攻擊?

尹茂帆:理論上來說,任何許可協議都可以轉化成非許可型協議。因為傳統的共識協議,都可以通過共識本身來重新配置以增加/刪除結點。但是因為潛在的女巫攻擊,這種基于精確成員信息的協議,需要額外依賴一個PoS或者PoW的進入機制來開放系統。

HotStuff共識的其他實施

除了Facebook,其他一些區塊鏈項目也已經決定使用HotStuff共識。其中一個是公鏈項目Cypherium。有趣的是,Cypherium項目聲稱可以實現非許可型的擴展——如果這個嘗試成真,意味著這可以為Facebook提出的轉型路線圖,提供了一種解決方案。

Cypherium首席執行官SkyGuo接受鏈聞采訪中解釋了這里面的要點:

他說,與Libra未來計劃轉型為PoS不同的是,Cypherium的主網將設計成PoWHotStuff的混合共識機制。

通常來講,區塊鏈共識分為兩個過程:選舉領導者、打包與驗證區塊。傳統項目里這兩個過程由同一種共識機制實現。而Cypherium在第一個過程中選用了PoW共識,用于選擇領導者節點。任何計算設備均可以通過挖礦的方式成為Cypherium的驗證節點而不依賴于受信任的第三方。每當有礦工成功挖到PoW時,驗證委員會當中時間最老的節點離開委員會,新的礦工成為驗證委員,實現永久性的動態輪換。而第二個過程,則選用了效率較高的HotStuff共識來打包和驗證區塊。相應地,Cypherium設計了選舉鏈交易鏈的雙鏈架構。SkyGuo聲稱,Cypherium共識CypherBFT可以做到完全去中心化、交易順時最終確認、支持億級用戶的應用場景。

封面圖片來自:JoannaNowak

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