LIBRA:Libra 采用的 HotStuff 算法作者親述：「尤物」誕生記

Facebook公布了Libra白皮書和相關技術文檔之后，鏈聞發現了Libra區塊鏈將使用基于拜占庭容錯共識的「LibraBFT」共識算法，而LibraBFT算法則是「HotStuff」的一個變種。之后，鏈聞又順藤摸瓜，找到了「HotStuff」論文的第一作者、美國康奈爾大學大學在讀博士生尹茂帆，請他講述了HotStuff的奧妙。

TedYin今年25歲，目前導師是著名計算機科學家EminGünSirer教授和RobbertvanRenesse教授。他同時也是市場頗為矚目的區塊鏈新項目AvaLabs的聯合創始人和首席系統架構師。

2018年暑期期間，他在VMwareResearch實習時提出了「HotStuff」協議中核心算法，并完成了相關論文。

我們邀請TedYin撰文分享了他提出「HotStuff」核心算法前前后后的經歷。我們希望通過這篇文章，記錄下一個創新性算法被年輕華人研究者提出的背景，一個有可能推動區塊鏈技術發展的基礎性研究工作完成的來龍去脈。我們希望以此幫助讀者更好理解「HotStuff」，更可以激勵區塊鏈行業的研究者和開發者更好地建設。

撰文：TedYin，康奈爾大學博士生，AvaLabs的聯合創始人兼首席系統架構師

TedYin，HotStuff論文第一作者，AvaLabs的聯合創始人和首席系統架構師。

一入系統深似海

沒想到，HotStuff，這個被我中文起名為「尤物」協議的科研成果，或多或少竟源自于我第一個「失敗」的研究。請容我細細說來。

2016年，博士之旅伊始，我的導師EminGünSirer教授便拿出幾份論文讓我細細研讀。其中有：

PaxosMadeModeratelyComplex；

ByzantineQuorumSystems；

ImplementingFault-TolerantServicesUsingtheStateMachineApproach。

這些都是共識協議研究經典中的經典。更沒想到的是，有一天，我竟有幸與ByzantineQuorumSystems的兩位作者合作完成了后來的尤物協議。

聲音 | 中國銀行副行長：“LIBOR”即將謝幕，“Libra”即將登臺:據中國財富網報道，中國銀行副行長吳富林認為，“LIBOR”即將謝幕，“Libra”即將登臺，國際金融、國際貨幣體系面臨深度變革，新的時代正在到來，而問題才剛剛開始，金融市場所面臨的競爭可能會是“算法和算力”之間的競爭。注：LIBOR指倫敦銀行間同業拆借利率，是某大型國際銀行愿意向其他大型國際銀行借貸時所要求的利率。[2019/12/30]

相較于人工智能的論文，計算機系統相關的研究論文篇幅都較長，一般有十來頁。而共識協議算法的論文每一頁的難度又令人望而卻步。在理解了共識問題的基礎以及經典算法以后，一次開會中，Gün教授開始考我了。本來胸有成竹的我，被他連珠炮一般的問題問得說不出話來。

「看來你需要回去重新讀一遍啦，Ted！」，他淡然一笑，「不必擔心，本來這世界上沒多少人懂Paxos。」

在1990年提出的一種基于消息傳遞且具有高度容錯特性的一致性算法，很多大型分布式系統都采用Paxos算法來解決分布式一致性問題，Paxos算法被普遍認為難以理解，難以實現。）

我愧色滿面，倉皇逃出了辦公室。于是下決心要把其中邏輯理清，以至無懈可擊。

「異步」難題

共識協議，或者推廣至各種分布式系統的協議，是一類基于時態邏輯的算法描述，其難點在于「異步」。

所謂異步，就是若干個相對獨立邏輯可以同時執行，并且它們之間能夠依據算法發生交互。這里的「異步」與異步協議中異步所指不同，更接近于并發的概念。

其實在日常生活中，我們也無時無刻不進行這種「異步」的操作：我們不會干等一天別人的消息，也不會在整個項目所有的事情做完后才睡覺休息。我們往往是會「同時」處理若干個不同的事務，盡量不會因為一件事沒有做完而被卡住不做后續的所有事情。

這種等待著一件事情完成再處理另一件事情的過程，就可以被稱為「同步」；而把事情做一部分丟給別人，接著馬上進行其他操作的過程中，則產生了「異步」。

正如生活中的多任務同時處理一樣，帶有異步/并發性質的算法設計充滿了挑戰。以Paxos算法為例，它是一種對宕機有一定容忍度的冗余算法。用通俗的話講，也就是我們希望有若干個機器去備份同一個系統狀態。這個狀態可以是用戶的信息、銀行的交易，或者平臺上程序的執行序列。這種「備份」，使得整個系統有一定的抗故障能力——一臺帶狀態副本的機器崩潰之后，我們仍然有別的機器可以使用。

聲音 | 任澤平： 應鼓勵騰訊阿里加入Libra 推動人民幣納入Libra的儲備資產:昨日，恒大集團首席經濟學家任澤平發文表示，應鼓勵互聯網企業發幣，鼓勵企業加入Libra，推動人民幣納入Libra的儲備資產。我國互聯網行業巨頭騰訊、阿里巴巴等在區塊鏈技術領域均有所開拓，并且互聯網企業用戶基礎較好，法幣潛力巨大。未來是否進行數字貨幣研發還取決于監管當局的態度。此外還可以鼓勵我國互聯網企業成為Libra合作伙伴，積極加入Libra協會理事會，參與重大政策或技術性決策的表決，推動人民幣進入Libra儲備資產。[2019/8/2]

Paxos作為這類協議的代表已經在業界獲得了廣泛的使用，比如Google的Spanner系統。毫不客氣地說，云服務和大規模數據中心的崛起，重要原因之一就要歸功于此。美國計算機科學家萊斯利·蘭波特提出了Paxos算法，這成為讓他在2013年獲得圖靈獎的重要原因之一——當然，蘭波特有太多的貢獻了，包括后文會提到的拜占庭容錯算法，這里就不一一展開了。

不過，像Paxos這類算法因為需要保證系統各個機器同時處于一致的狀態，以便對外表現為一個不間斷的服務，因而十分難以設計和理解。

當然，我的那個故事的結局是：重新來過，認真鉆研，自信滿滿地再次接受也解答了Gün教授提出的若干個刁鉆的問題，最終通過了他的考驗。

「那么接下來我希望你思考一下能不能基于區塊鏈的結構設計一個CFT算法，打敗Paxos。」Gün教授說。

「好的。」我回答到。

雖萬難吾往矣

就這么簡單的一句話，花去了我整整第一年一個學期的時間。

現在回想，這個過程短暫又漫長，時而枯燥無味，但時而又充滿驚奇。我曾經構想出了一些看似正確的算法，但僅僅過了一天，隨即便發現無法證明，或者算法本身存在錯誤。直到在第一個暑假來臨前，我向導師提交了一份關于這方面研究的報告。

在報告中我分析了嘗試用鏈式結構打敗Paxos的各種大方向。其中主要分為兩種：

一種路線是采取類似原中本聰共識中的概率模型，然后通過隨機的等待時間來建立起一個可以收斂的共識鏈；

聲音 | 西南財經大學陳文：Libra在中國作為支付結算工具的發展空間并不大:據新京報消息，7月31日，西南財經大學普惠金融與智能金融研究中心副主任陳文接受采訪時表示，Libra直接觸及的是個人和企業部門，在跨境支付結算領域具有比較大優勢。美國的移動支付的便捷性是遠遠不如中國的。在支付寶、微信支付已經非常方便時，Libra在中國作為支付結算工具的發展空間并不大。他還指出，像這樣的互聯網巨頭，騰訊、阿里也都有相當規模的用戶數，如果這些全球的互聯網巨頭都發行自己的虛擬數字貨幣，就會替代法幣的應用場景。比如，阿里發行了數字貨幣，肯定優先讓淘寶、支付寶的用戶去使用。這意味著，如果對巨頭發行加密數字貨幣不加限制，也有可能就會形成主流國家、價值比較穩定的法幣和這類加密數字貨幣共存的狀況。在一些通貨膨脹特別嚴重的國家，老百姓不愿意去用法幣，但是因為美元的兌換被管制住了，就可能會去使用像Libra這種加密數字貨幣。如果當地政府沒有好的手段管制，有可能有法幣會被沖擊掉。[2019/8/1]

另一種截然不同的思路則是像Paxos那樣，使用子集交來把Paxos「編碼」在鏈上。

在報告中，我給出了基于Python快速構建的Raft和第一種路線的性能對比，得出了不成功的結論。而Gün教授對另一個路線并不持樂觀態度——因為Paxos/Raft現在已經被優化得很快了，在這種只有宕機的容錯場景下是不具備優勢的。

我們決定放棄這個CFT相關的研究，我也轉而有了一個新項目，也就是后來的Avalanche協議。它是一種概率安全的拜占庭容錯協議，這里暫不展開。

有趣的是，報告提到的兩條路線中，第一個正好和早期的DPoS思路如初一轍。DPoS是一個備受爭議的協議，它在早期并不是拜占庭容錯的，而且協議本身沒有嚴格的證明或者性能的測試，主要使用它的EOS虛擬貨幣，也淪為了一個高度中心化的系統。而第二個路線，如果將問題的領域由宕機容錯變為拜占庭容錯，Paxos改換成DLS/PBFT，則像極了后來的尤物協議。

一拍即合

17年秋季學期即逝，我向VMwareResearch的首席研究員DahliaMalkhi表達了實習的意向。

聲音 | 歐洲央行執行委員會：金融機構需快速采取行動以應對Libra項目:據cointelegraph消息，歐洲央行執行理事會成員Benoit Coeure最近表示，金融機構需快速采取行動以應對Facebook的Libra項目。Coeure表示，“讓Libra在金融服務活動的監管空白中發展是不可能的，這太危險，我們必須比現在更快的采取行動。”[2019/7/8]

當年12月，在清華—康奈爾區塊鏈研討會期間，Dahlia和VMwareResearch的高級研究員IttaiAbraham飛到深圳，短暫參會并作了學術報告。報告內容是關于BFT協議在區塊鏈時代下的新研究課題。期間，他們宣布發現了2007年獲得SOSP最佳論文的ZyzzyvaBFT系統存在的正確性問題，借此說明BFT協議過于復雜和難以理解，以致在業界無數專家審稿的10年以后，仍然可能會發現算法層面的正確性bug。

我們在她宣講的當天吃了早飯，席間她簡短地用了30分鐘問了一些關于我目前科研的問題作為面試。

Dahlia在業界以一針見血和才思敏捷著稱，在挺過了她的一些關于Avalanche協議的一些尖銳問題后，她表達出了對我一開始那個「夭折」CFT項目的濃厚興趣。在次年的遠程交流中，她提到了一個在構想的BFT算法有些類似于我的項目，并且詢問我當初放棄的原因。之后我們一拍即合，去VMwareResearch實習的事情也就這么定了下來。

太平洋的風

實習就這么開始了。從東岸的紐約飛到了西岸的加州。美好的灣區，全新的暑假。烈日下，太平洋的風時而撥弄著我手中的紙頁，我則低頭繼續思考著「誰是壞人，誰是好人，誰又背叛了誰」的問題——拜占庭容錯。

Dahlia告訴我說，一般世界各地的博士生來這里實習的頭一周都不需要做什么，而是應該去嘗試摸清自己的能力，以及尋找感興趣的項目。彼時，她提到希望我能看一下他們于三月份撰寫的文稿。

我喜憂參半。「喜」是因為有明確的文稿可以閱讀，「憂」則是這個預印稿是不是意味著算法已經設計完畢，而我能做的事所剩無幾？

實際上，在「掙扎」著閱讀了一周以后，我發現初稿中描述的算法很是模糊，正確性的證明也是一筆帶過，其中兩個核心引理都是一句話。于是，在商議后，我們做了一個后來覺得極為明智，但對我來說也十分挑戰的決定：我不去看那篇預印稿，而是從一張白紙開始，憑著自己受到的啟發，結合已有的積累，用我的符號系統來重新描述算法，并且嘗試給出嚴格的證明。

動態 | 挪威城市Liberstad將發行自己的加密貨幣:據BTCMANAGER消息，近日，挪威城市Liberstad宣布將使用一種名為“城市貨幣（City Coin）”的加密貨幣作為其“官方貨幣”，以鼓勵居民提高效率和透明度。[2019/2/16]

整個過程大概又花費了將近一周，最后我將重寫的幾頁稿子交給了Dahlia。令我欣喜的是，得到的反饋非常鼓舞人心。Dahlia說我自己重頭設計的算法在本質上和她當初的構想大體相似。

但是不久她就發現了一個很不一樣的地方：我的協議里面需要的假設比原本的預印稿的要更少。

我的解釋是，原稿里面維護的變量和隱含條件過多，而且有的好像也不是必要。我相信「簡單即是優美」的原則，于是去掉了一些覺得冗余的不變量。

瞬間，Dahlia變得嚴肅認真了起來，直截了當地說，「不，這個簡化會直接破壞協議的正確性」。

好在我已早有準備，向她解釋了這個「重要」條件其實是不必要的。但是她依然堅持。

討論變得逐漸激烈，于是我壯了膽，帶著十足底氣的口吻「挑戰」道：「Ifso,couldyoupleaseshowmeacounterexample?」她立即開始在眼前的白板上寫寫畫畫，我全神貫注，準備迎接對我思維以及口語表達的挑戰。

在她數次嘗試失敗之后，我再次耐心地解釋了一遍無需那個條件的原因。我說，聽上去確實挺反直覺的，我一開始也覺得困惑，但是后來發現證明正確性并不需要它。最后，她將馬克筆緩緩放下，笑著長出了一口氣說，「目前我想不到反對的理由。Ted，你贏了。哈哈。」

證明不是一筆揮就的。我一開始自鳴得意的證明很快就被Dahlia發現了一個致命問題：有一個條件從來沒有用過。和之前我們所爭論的冗余條件不同，我們都意識到這是一個極為關鍵的條件，奈何找遍了整個證明都沒有！

這種感覺就像是修好一個機器后發現手頭多了一些零件，又或是做完手術發現金屬盤里多出了一些器官一般。所幸的是，很快我們發現了其中一句話其實暗含了條件，但欣慰之余又感嘆就算是專業人士，做這種BFT協議也是十分棘手。

隨后，我們計劃將舊稿替換成現在重寫的新稿。

高手過招

Dahlia一直是我最敬重的學者之一，因為她平易近人，跟年輕人打成一片，而在討論學術問題時又有著淵博的知識儲備和學者的嚴肅威嚴，討論細致入微，不讓毫厘。

老實說，在討論中，大多數時候還是她取得了「勝利」。跟高手「過招」，我不得不嘆服她思維的深度、廣度和速度。這也是跟她合作的樂趣：就像是一場賽車比賽，稍一不留神，她就在彎道直接超車，一騎絕塵了；或是在你飛速狂奔而不知其所往時將其橫刀攔下，使之冷靜下來解釋清楚。

不久，坐在旁桌的MikeReiter也加入了我們的討論。我對計算機安全領域的大佬知之甚少，自然也是不知道這位Mike的來頭。只是當時覺得他特別友善，還經常來問我需不需要來看一眼我的稿子，或者討論一下算法問題。

MikeReiter，現為北卡羅來納大學教堂山分校計算機系教授

他也對HotStuff感興趣，于是我們便有了三人的開會小組。再后來我才意識到，原來最早讀的那篇于1998年發表的著名論文「拜占庭仲裁系統ByzantineQuorumSystems」，正是Dahlia和Ｍike在AT&T實驗室工作時期所合著的成果。那時的我還在幼兒園留著口水，咬著手指。

1998年發表在學術期刊「分布式計算」上的論文「Byzantinequorumsystems」

相比Dahlia，Mike更像是那種深藏不露的掃地僧。他時常會在你作報告加速時打斷，慢條斯理道：「恕我愚鈍，但是我不理解你剛剛說的東西，你能再解釋一遍嗎？」而我逐漸察覺到他懂的其實遠比看上去的多，總能在關鍵的地方提出非常好的問題。一旦他和Dahlia爭論起來，我幾乎無法插嘴，只好在一旁以崇敬的目光看著兩位「神仙大戰」。

猶物之生

Dahlia提起了最初的論文稿其實投了2018年的PODC會議，結果被拒。原因有二：審稿人覺得這論文寫得太籠統，他們沒能理解算法的具體過程，以及證明過于簡陋；另一方面則是他們認為實用拜占庭容錯算法的期刊版本已經在其中「暗示」了可能存在線性復雜度的換屆，所以論文號稱的線性換屆并不是新東西。

Dahlia對第一點心服口服——這也是讓我不看原文重頭寫過的原因之一。但她對第二點不以為然，因為她去找來了那個期刊論文，所謂「暗示」并不可行。

就這一點，我們兩人在一次討論中對PBFT期刊版本的算法進行了剖析，最終得出了一個好消息和一個壞消息：好消息是PBFT的換屆做不到線性，也就是審稿人的說法有誤；但壞消息是，Dahlia的舊稿里面的算法并不符合標題所說的完全線性，而是有更深層次的微妙之處。

就在這次和Dahlia對PBFT期刊版本的討論中，我們得到了新的思路

實際上，為了保證響應度，不得不變成平方復雜度；或者為了線性復雜度而放棄響應度。無論何種取舍，皆使我們的貢獻度大幅縮水——這朵烏云不幸地于周五飄在了頭頂，在這淪為「incrementalwork」的陰霾下我們若有所思地開始了周末。

柳暗花明

山重水復后，我席間提到的一個思路給了Dahlia新的啟發。于是，在那個周日的下午，當我還在家慵懶地用筆記本看新聞時，突然收到了一封她上千字的郵件。

果然，在我們的HotStuff體系中，盡管最初的算法跟Tendermint本質相仿，但還有別的變種可以打破這種壁壘：在保證與PBFT類似響應度的同時，達到線性的消息復雜度下界，即理論最優。值得一提的是，前面提到的Paxos同樣也是線性復雜度。

主要思路就是那天討論中我突發奇想提到的：「如果我們增加一個階段呢？兩個階段的協議變三個階段，但是好像我們可以用中間階段維護的不變量來避免Liveness的問題，從而完全保證響應度。」

于是，便有了第三版的「尤物」，也是Facebook的LibraBFT所基于的那個。

盡管在最終發表的論文中，我被列為第一作者，但是這個算法的提出，與Dahlia和Mike等經驗豐富學者的緊密協作及相互間激發出的靈感密切相關。我也很開心，能夠在VMwareResearch短暫的暑假實習期間完成「尤物」的主體部分算法。

在實習結束之后的半年間，我們堅持不懈地完善理論和代碼，并且也嘗試向業界推廣該成果。我們都對創造可以用于實際系統的協議充滿熱情，也都對理論和系統實踐有著一定經驗。Dahlia顯然比我擁有更多的經驗和更深刻的認識，我從她身上學到了很多。令人感動的是，她對我的思考和每一個建議都認真加以考慮，并且也充分信任我的一些觀點——這使得我憑借自己對系統和這個行業的理解能有所施展。

例如Facebook的Libra技術文檔中反復提到的「起搏器」，就是由我提出并取的名字。當時我看到HotStuff框架提供了一次從算法層面對共識安全和性能的機會，然后在第一次描述算法時就將保證系統安全的部分抽離出來，然后將與具體應用相關的heuristics部分分離成為一個「起搏器」，來拯救Liveness。

這一點，毫無疑問，是談論HotStuff無法避開的有趣話題。

我真心期待這個「尤物」，能夠讓無論是國外還是國內的巨頭，抑或是創業公司，能夠真正構建實際的拜占庭容錯系統。毫無疑問，Facebook首先嘗了鮮。

我們在2018年向他們推薦了「尤物」，而后如技術文檔中所說，在考慮了市面上諸多其他算法后，他們作出了決定。

與此同時，我也向一些國內的創業公司宣傳了算法。遺憾的是我跟國內大公司并沒有機會接觸，只聽說他們在共識上栽了不少跟頭。

諷刺的是，如今的市場上，極大一部分區塊鏈公司并沒有實現所謂的區塊鏈，遑論拜占庭容錯。殘酷的現實就是，就算從Google、Facebook或是阿里、騰訊等公司抓出最優秀的程序員，其中能夠熟練掌握Paxos、且知曉如何從頭構建這樣高效系統的人屈指可數。

但是我們不要感到灰心喪氣，因為這反而是對國內產業的一個前所未有的，趕超世界最領先水平的機遇。除比特幣和以太坊之外，一個合格的、成熟的新BFT容錯系統尚未誕生，誰將摘取這個王冠——更確切的是，哪些公司將彎道超車，這尚未可知。

我希望「尤物」能夠拋磚引玉，為此鋪平道路。

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