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谁才是全球区块链共识机制的引领者?

2019-12-02 ·1099次阅读 ·读完需要21分钟

在区块链系统中没有像银行一样的中心化机构,所以在进行传输信息、价值转移时,共识机制解决并保证每一笔交易在所有记帐节点上的一致性和正确性问题。区块链的这种新的共识机制使其在不依靠中心化组织的情况下,依然大规模高效协作完成运转。

除了密码学技术外,共识机制也是区块链必要元素及核心部分,是保障区块链系统不断运行的关键。因此共识机制也被称之为区块链的灵魂。

无论是公链还是联盟链共识机制首先从基础上就已经限制了区块链的交易处理能力和扩展性。同时保证了每个参与者的公平性,使整个体系的所有参与者必须要有统一的协议。

作为知名的国产公链项目比原链于5月17日发布了其baas平台Bystack这是一个基于一主多侧架构的OFMF(开放联邦管理框架)、DApp开放框架、去中心化个人信用(DPC)、隐私交易解决方案的商用区块链系统,主链采用 PoW 共识保证多样资产安全和去中心化,侧链提供可插拔的共识以满足不同业务需求。同时,Bystack 本身还针对侧链独创了一种 DPoS+BBFT 的共识算法。

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区块链共识机制

在区块链网络中,由于应用场景的不同,所以采用了不同的共识算法。目前区块链的共识机制主要有四类:1.工作量证明机制pow、2.权益证明机制pos、3.委托权益证明Dpos、4.拜占庭容错(BFT)。然而,拜占庭容错(BFT)类共识机制目前广泛应用于各类联盟链。

当前商业应用环境中,区块链共识机制在一定程度上保证了节点的可信度,在这样的情况下,用户一般都会关心执行速率(TPS)和可信性,这也是 BFT共识机制在联盟链中常被使用的原因

什么是BFT共识机制

BFT( Byzantine Fault Tolerance)称为 拜占庭容错。拜占庭容错技术是一类分布式计算领域的容错技术。

拜占庭假设是对现实世界的模型化,由于硬件错误、网络拥塞或中断以及遭到恶意攻击等原因,计算机和网络可能出现不可预料的行为。拜占庭容错技术被设计用来处理这些异常行为,并满足所要解决的问题的规范要求。

PoW的容错性是50%,也就是说只要超过一半的节点是诚实的,就可以保证区块链数据的有效性。不过,PoW存在出块慢、吞吐量小、耗电大的局限性。因此,PoS和BFT共识机制得以被广泛应用。目前,随着技术日益进步,BFT类共识机制不但在联盟链中被广泛使用,而且金融等场景下也备受爱。

什么是PBFT共识机制

PBFT意为实用拜占庭容错算法,在解决了原始拜占庭容错算法效率不高的问题上,将算法复杂度有指数级降低到多项式级,使得拜占庭容错算法在实际系统应用中变得可行。

使用拜占庭容错算法主要应用于央行的数字货币以及步萌区块链。PBFT是一种状态机制副本复制算法,即服务作为状态机进行建模。状态及在分布式系统不同节点进行副本复制。

使用这一共识机制有点和缺点都很明显,优点是:即使有失效的副本节点存在,PBFT算法对所有非失效副本节点的请求执行总顺序达成一致,从而保证安全性;缺点是:有1/3以上记账人停止工作,系统将无法提供服务。等有1/3以上记账人联合做恶,而且其他所有的其他记账人被恰好分割为两个网络孤岛时,恶意其他人可以使系统出现分叉。

从现实场景来看,无论是Libra的LibraBFT共识协议还是比原链Bystack共识机制它们都积极吸取PBFT的优点,并且采用已有的经过实践验证的处理方式,基于PBFT的缺点在技术革新上做了很大的调整。

FacebookLibraBFT共识协议

Libra Blockchain使用HotStuff共识协议的变体,最近的Byzantine容错(BFT))共识协议,称为LibraBFT。在LibraBFT中,验证器从客户端接收事务并通过共享的mempool协议彼此共享。然后LibraBFT协议以一系列轮次进行。

HotStuff 是一个三阶段的BFT算法,允许一个新的leader简单地选择一个最新的的QC(Quorum certification)。它引入了一个第二阶段,允许副本在投票后在不需要请求leader请求的基础上改变他的决策。这一改进大大降低了复杂度,同时也降低了leader替换的复杂度。最后,由于长期委任所有的状态,这样HotStuff非常容易通过事件机制的方式实现,适合leader经常切换的场景。HotStuff主要有以下几个特性:

• 线性的视图切换:在GST后,对于一个诚实的leader,一旦被指定,会发给n个验证者来收集签名,以推动共识的决定;

• 乐观的响应:在GST后,对于一个诚实的leader,一旦被指定,只需要等最早的 n-f 个验证者返回消息就可以发起有效的提案,包括leader替换;

• 支持频繁切主:HotStuff还有一个特点是新leader的推动协议达成共识的成本不高于当前领导者的成本,所以其适用于leader切换的协议;

• 决策简单:HotStuff中副本只有两种消息类型和一个简单的规则来决定是否要接受一个提案,其通过投票和提交规则来达成一致性,通过Pacemaker来保证可用性,并且各阶段的算法复杂度低;

• 阈值签名:HotStuff使用阈值签名的方式来收集签名,使得签名的验证会更为简单;

LibraBFT 在HotStuff的基础上引入显示的活跃机制并提供了具体的延时分析。LibraBFT在3f+1个验证节点之间收集投票,这些验证者可能是诚实的节点也可能是拜占庭节点。在网络中有2f+1个诚实节点的前提下,Libra能够抵御f个验证节点的双花攻击和分叉攻击。LibraBFT在一个有全局统一时间(GST),并且网络最大延时(ΔT)可控的 Partial Synchrony的网络中是有效的。并且,LibraBFT在所有验证节点都重启的情况下,也能够保证网络的一致性。

Libra白皮书指出,其将以许可型区块链的方式起步。未来为了确保Libra的真正开放,始终以符合用户最佳利益的方式运作,Facebook的最终目标是让Libra网络成为"非许可型网络",但是其目前的挑战在于,他们目前还没有成熟的解决方案可以通过非许可型网络,提供支持全球数十亿人和交易所需的规模、稳定性和安全性。从“许可型”网络过渡到“非许可型”网络,共识层面还需要做非常大的改进。

比原链Bystack的BBFT共识机制

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根据 Bystack 白皮书,BBFT 是一种基于实用拜占庭容错 PBFT 的衍生共识,是一种分层拜占庭容错共识算法。在保证拜占庭容错,即允许少量节点(f≤N/3)作恶的情况下,具有以下特性:

(1) 配置性

比原链Bystack的BBFT共识机制采用模块化可插拔设计,可按需求配置响应的共识算法,并在一定程度上确保对新技术的兼容(Future-Proof)。

在区块链发展阶段,跨链技术近几年也备受市场关注,然而,支持模块化可插拔技术使得Bystack拥有跨链方向的想象空间,有能力形成一个真正扩展性强、能兼容其他主流共识机制的区块链系统。同时这也是Bystack的一个突出性亮点。

但是,这样的兼容能力也有它自身的优缺点:优点是BBFT有能力与其它联盟链公链一较高低,使其归附于自己的生态中;缺点是技术并非口若悬河的简单一说,尤其区块链技术更是如此,若要达到这样的程度,在技术实现上还任重道远,因为兼容性动一发而引全身,研发成本是比较昂贵的。

(2) 适应性

BFT相比,BBFT中共识节点可维护当前网络拓扑,按最短路径相近的节点采取优先通信。对通信的聚合可以进一步降低延时。同时类似PBFT,BBFT 中领导节点(Leader)的角色被弱化,共识节点拿到超过2/3票数就可以做出判定,从而在领导节点通信受到阻塞的情况下,也不会对整个网络决策产生巨大影响。

(3) 可扩展性

保证共识复杂度随网络容量线性(Linear)或低于线性(Sub-Linear)增加。

一方面共识节点越多的网络可靠性越强另一方面与传统PBFT共识机制相比,BBFT中对消息的有效聚合可以有效减少消息发出的次数,从而保证O(N) 的复杂度要求。然后与网络拓扑相结合,将网络结构分割为多层,促使消息在同一层可以共享,以多签聚合的形式跨层传播。

(4) 异构性

分离共识的验证和通信

若要达成共识首先要进行共识验证和通信采取低耦合共识框架可以进一步提高网络可靠性和可执行效率

验证模块往往取决于具体用户逻辑,对算力和安全性都有一定要求。通信模块和用户逻辑相对独立,主要处理网络连接和请求。网络拓扑和最短路径的计算和选择可以在这里完成。由于和用户逻辑无关,通信模块可以以抽象层(AbstractionLayer)或者中间件(Middleware)的形式和验证对接。

异构带来的优势还体现在用最优的工具做最适合的事。验证和通信允许运行在不同的系统上、不同的操作环境中,针对不同硬件的算力优势和安全保证(TrustZone)来发挥最大效能。

BBFT共识机制特点

1、传统BFT相比比原Bystack根据网络分层采用多层结构,一旦某一节点出现问题,不会对网络产生较大影响。同时多层结构不仅可以把网络通信分流再组合,而且可以优化网络通信的延时性。

2BBFT共识机制通过分层和加密签名的聚合,对整个网络结构有效组合,保证通信复杂度线性增长,而不是指数级增长。

3、Bystack 上的侧链分为三个模块:一是底层共识算法;二是网络划分;三是签名聚合。其中,网络划分和签名聚合是相对独立的模块,可以使用不同的网络分层算法、签名聚合算法与共识层的算法进行搭配。

 

LibraBFT与Bystack BBFT的共性和差异性

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虽然两者都可看作是PBFT共识的升级,并汲取了现有BFT类共识的成果和优点,与此同时,在扩展性方面有了更大的进步。但LibraBFT是将PBFT网状通信拓扑变成星形通信网络拓扑,以此来降低复杂多变的通信系统;而BBFT则通过多层结构将网络通信分流再组合,这样使得网络通信的延时和数量大大优化。

然而从技术方面讲无论是LibraBFT还是比原BBFT,更多关注的则是其算法,LibraBFT共识机制在PBFT基础上对核心算法进行了修改和优化;BBFT则更多是在层级上进行分层控制,以求达到全局思维。可以说BBFT对共识机制技术要求高于PBFT,它力求能够突破自我,达到能够融合更多共识机制的境地。

显而易见Bystack最为关注的是利用好现有共识机制的同时整合其它不同的共识机制做到以彼之长补己之短这在其架构上是十分明显的其实Bystack 不只是想做区块链的操作系统,它实际上有做操作系统的操作系统的意思。

 

区块链共识机制虽说已经研究已久在不同的领域使用场景也不尽相同但是从POW到现在,这一区块链核心机制却始终没有突破性长进。比原链Bystack BBFT能够在区块链共识机制方面真正突破自我,代表中国区块链企业在世界科技舞台上崭露头角,最终成为全球区块链技术的引领者。


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