作者 | 蜂鳴
如果說什麼是區塊鏈的靈魂，那一定是共識機制。
它是區塊鏈的根基。無論公鏈或是聯盟鏈，共識機制都從基礎上限制了區塊鏈的交易處理能力和擴充套件性。
2019年6月18日，Facebook 釋出了自己 Libra 專案的白皮書，引發廣泛關注。作為 Facebook 試圖創造國際流通數字貨幣的重要專案，Libra 區塊鏈採用的是 LibraBFT 共識機制，是一個為 Libra 設計的魯棒的高效的狀態複製系統。它基於一種新型的 BFT 共識演算法，HotStuff。
就在 Facebook Libra 專案白皮書釋出之前不久，5月17日，比原鏈釋出了 BaaS 平臺 Bystack。這是一個一主多側鏈架構的商用區塊鏈系統，主鏈採用 PoW 共識保證多樣資產安全和去中心化，側鏈提供可插拔的共識以滿足不同業務需求。同時，Bystack 本身還針對側鏈獨創了一種 DPoS+BBFT 的共識演算法。
同樣是 BFT 類共識機制，LibraBFT 和 BBFT 兩者有什麼不同呢？
Bystack一主鏈多側鏈架構（圖片來源：Bystack白皮書）
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區塊鏈共識機制的意義和現狀
共識（Consensus）是分散式系統中節點對資料或網路最終狀態達成的協議。由於網路環境和節點狀態的不可控，共識機制需要同時考慮效能、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 共識機制廣泛應用於各類聯盟鏈。
PoW 共識在非許可（Permissionless）鏈上應用廣泛，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。在具體商業應用環境中，許可（Permissioned）機制已經保證了一定程度上的節點可信度（Semi-Trust）。這樣的前提下，使用者更關心執行效率（TPS）和最終確定性（Finality）。這是BFT共識在聯盟鏈中流行的原因。
主流共識機制對比
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BFT共識機制
BFT（ Byzantine Fault Tolerance）即拜占庭容錯。它是分散式計算容錯技術。
由於硬體錯誤、網路擁塞或中斷、以及遭到惡意攻擊等原因，計算機和網路可能出現不可預料的行為。拜占庭容錯技術被設計用來處理這些異常，在容錯的基礎上達成共識。
與從比特幣衍生出的中本聰共識不同，在BFT類協議中，一旦達成共識，則直接形成確定性結果，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盟鏈場景中應用甚廣。同時隨著技術進步，公有鏈場景下應用的 BFT 共識也在不斷出現。
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PBFT 共識機制
實用拜占庭容錯演算法（Practical Byzantine Fault Tolerance Algorithm，PBFT）是首個實用的在非同步分散式網路中實現拜占庭容錯的共識演算法。
PBFT 演算法可工作在非同步環境中，並且最佳化了原始拜占庭容錯演算法效率不高的問題，將演算法複雜度由指數級降低到多項式級，使得拜占庭容錯演算法在實際系統應用中變得可行——這點已得到廣泛驗證。PBFT 演算法可以在失效節點不超過總數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 的優點，採用了已有的經過時間驗證的處理方式，並在 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。
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Facebook Libra 的 LibraBFT 共識協議
前面已經說到，Libra 採用基於 HotStuff 的 LibraBFT 共識。
HotStuff 是一個三階段的 BFT 演算法。它將檢視切換流程和正常流程進行合併，不再有單獨檢視切換流程，降低了檢視切換的複雜度。
在 HotStuff 中切換檢視時，系統中的某個節點無需確認「足夠多的節點希望進行檢視切換」這一訊息再通知新的主節點，而是可以直接切換到新檢視並通知新主節點。HotStuff 把確認「足夠多的節點希望進行檢視切換」這一訊息的行為放進了正常流程中。由此把 PBFT 的兩階段確認擴充套件成了三階段確認。
HotStuff 的另一個重要改變，是將 PBFT 的網狀通訊網路拓撲變成了星形通訊網路拓撲。HotStuff 中，每次通訊都依靠主節點。
節點不再透過 p2p 網路將訊息廣播給其它節點，而是將訊息傳送給主節點，由主節點處理後傳送給其它節點。得益於星型通訊網路拓撲，系統的通訊複雜度大大降低。和 PBFT 類似，主節點會提議進行狀態遷移，其它節點收到該狀態遷移要求後，會檢查其合法性。
LibraBFT 在 3f+1 個驗證節點之間收集投票，這些驗證者可能是誠實的節點也可能是拜占庭節點。在網路中存在 2f+1 個誠實節點的前提下，Libra能夠抵禦 f 個驗證節點的雙花攻擊和分叉攻擊。
LibraBFT在一個有全域性統一時間（GST），並且網路最大延時（ΔT）可控的部分同步網路中是有效的。並且，LibraBFT在所有驗證節點重啟的情況下，也能夠保證網路一致性。
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比原鏈 Bystack 的 BBFT共識機制
區塊鏈應用分層與不可能三角（圖片來源：Bystack白皮書）
根據 Bystack 白皮書，BBFT 是一種基於實用拜占庭容錯 PBFT 的衍生共識，是一種分層拜占庭容錯共識演算法。在保證拜占庭容錯，即允許少量節點（f≤N/3）作惡的情況下，具有以下特性：
（1）配置性（Configurable）
採用模組化可插拔設計，按需配置，並在一定程度上保證對新技術的相容（Future-Proof）。
這是 Bystack 的一個核心競爭點。跨鏈概念近幾年一直有受到廣泛關注，也是區塊鏈發展的重要方向。支援模組化的插拔，使得 Bystack 擁有跨鏈方向的想象空間，有能力形成一個真正擴充套件性強、能相容其他主流共識機制的區塊鏈系統。
這樣的相容能力使得 BBFT 有能力讓其他的聯盟鏈公鏈成為自己的側鏈，讓自己不僅僅是一個區塊鏈作業系統，而且形成一個區塊鏈作業系統生態。這樣一來，想象空間就大了。
不過當然，要達到這樣的程度，技術實現上可能任重道遠。相容性是一個動輒消耗大量研發成本的方向，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）適應性（Adaptive）
即針對不同網路環境提供穩定的執行效率。
BFT 需要節點之間互相交換驗證結果以取得多數共識。一般來說，每個節點需要得到足夠多（≥(2/3)*N）的來自其他節點的回覆才能做出有效判斷。網路延時直接影響資訊互動效率，特別在跨地域跨境應用中，延時將成為網路執行的瓶頸。
在 BBFT 中，共識節點維護當前網路拓撲，按最短路徑原理相近的節點採取優先通訊。對通訊的聚合可以進一步降低延時。同時類似PBFT，BBFT 中領導節點（Leader）的角色被弱化，共識節點拿到超過2/3票數就可以做出判定，從而在領導節點通訊受到阻塞的情況下，也不會對整個網路決策產生巨大影響。
（3）擴充套件性（Scalable）
保證共識複雜度隨網路容量線性（Linear）或低於線性（Sub-Linear）增加。
一方面共識節點越多網路的可靠性相對越高；另一方面，傳統 PBFT 中節點通訊的複雜度 O(N^2) 隨網路容量指數級增長，極大限制了節點數目。BBFT中對訊息的有效聚合可以有效減少訊息傳送的次數，從而保證 O(N) 的複雜度要求。與網路拓撲相結合，可以把網路分割為多層結構，訊息資料可以在同層內有效共享，以多籤聚合的形式跨層傳播。多籤資訊驗證可以使用現有的成熟的
方案，例如基於 Shnorr 簽名的 MuSig 演算法，可以在保證多籤驗證效率的同時，抵禦Rogue Key Attack攻擊。
（4）異構性（Heterogeneous）
分離共識的驗證和通訊。
共識達成需要驗證和通訊，但兩者並沒有很強的關聯。採取低耦合的共識框架可以進一步提高網路可靠性和效率。
驗證模組往往取決於具體使用者邏輯，對算力和安全性都有一定要求。通訊模組和使用者邏輯相對獨立，主要處理網路連線和請求。網路拓撲和最短路徑的計算和選擇可以在這裡完成。由於和使用者邏輯無關，通訊模組可以以抽象層（AbstractionLayer）或者中介軟體（Middleware）的形式和驗證對接。
異構帶來的優勢還體現在用最優的工具做最適合的事。驗證和通訊允許執行在不同的系統上、不同的操作環境中，針對不同硬體的算力優勢和安全保證（TrustZone）來發揮最大效能。
BBFT 的兩大主要特點在於：
多層結構：根據網路進行分層。傳統 BFT 是單層結構，只有一個領導節點和若干處於同等地位的共識節點。BBFT 的創新在於大領導下面還有小領導，如果領匯出問題，不至於對網路產生較大影響，相當於弱化了領導的作用。而且由於是多層結構，可以把網路通訊分流再組合，最佳化網路通訊的延時和數量。
傳統 PBFT 的通訊複雜度是指數級的，難以擴充套件，網路裡面隨著節點數暴漲，整個網路延遲可能很嚴重。BBFT 透過分層和加密簽名的聚合，對整個網路結構有效組合，可以保證通訊複雜度線性增長，而不是指數級增長。
可配置性：Bystack 上的側鏈工程其實分三個模組，一是底層共識演算法，二是網路劃分，三是簽名聚合。其中，網路劃分和簽名聚合是相對獨立的模組，可以使用不同的網路分層演算法、簽名聚合演算法與共識層的演算法進行搭配。可以根據具體使用者場景靈活選用不同的合理方案。
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LibraBFT vs BBFT：共同和差異
LibraBFT 與 BBFT
LibraBFT 將 PBFT 的網狀通訊網路拓撲變成了星形通訊網路拓撲，以降低系統通訊複雜度；BBFT則使用多層結構把網路通訊分流再組合，最佳化網路通訊的延時和數量。
LibraBFT 將檢視切換流程和正常流程進行了合併，把 PBFT 的兩階段確認擴充套件成了三階段確認；BBFT 則將經典 BFT 演算法中產生、預最終狀態與最終狀態三個狀態修改為只有一個最終確認狀態。
兩者都可看做是 PBFT 共識的升級，吸收了現有 BFT 類共識的成果和優點，並在此基礎上做出不同方向的擴充套件。LibraBFT 共識機制更多是 PBFT 基礎上的一種革新，更多關注演算法本身，對 PBFT 有很多修改和最佳化的方面；BBFT 更多是在層級上進行分層控制，更多是一種系統全域性思維。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，在側鏈上利用對方所有優勢的。
LibraBFT 是第一序改變，BBFT 是第二序改變。
可以明顯看出，Bystack 更加關注利用好現有共識機制，將不同的共識機制整合、取長補短，這在 Bystack 整體架構上表現就十分突出，比如主側鏈採用不同共識並有機結合、側鏈使用 DPoS＋BBFT 的混合共識演算法並具備可配置性……Bystack 不只是想做區塊鏈的作業系統，它實際上有做作業系統的作業系統的意思。
區塊鏈共識機制的研究，已經進行很長一段時間，但從 PoW 共識提出到現在，並沒有說得上正規化突破的進展。
也許讓區塊鏈相容其他鏈的共識機制，實現平滑跨鏈，讓任何一條鏈都可以作為一個側連結入進來，可以成為區塊鏈方向的一個正規化突破，帶來全新的想象空間。也許這也是現在跨鏈概念比較火爆的原因。
也許正像 Bystack 共識演算法負責人王煒所說，“單一公鏈單一演算法”這種模式已經行不通了，因為使用者場景實在太多，一條公鏈是解決不了所有問題的。
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