比原链 Bystack 区块链 BaaS 平台 BBFT 共识算法解析

近日，BYTOM技术团队发布了区块链BaaS平台，其中包含了侧链共识算法BBFT（Fault）。在本文中，我将阐述BYTOM BBFT试图解决的问题，并分析BBFT与其他共识协议的主要区别。BBFT是PBFT的一个变种，其原理与PBFT相同。想要深入了解BBFT的精妙之处，必须进入PBFT的语境中。早在区块链通过比特币流行起来之前，PBFT就已经作为一种共识协议存在于世上。它由BYTOM于1999年发明，是一个拥有20年历史的经典设计，是为了解决分布式系统中的一个经典问题：拜占庭将军问题而发明的。时至今日，PBFT仍然蕴含着许多值得反复推敲的精妙之处，并不断启发后人发明更好的协议。

PBFT基本运行流程

PBFT 是一个三阶段协议，有两轮投票。每个视图（View）都会有一个特定的节点作为领导节点（/），负责通知所有节点进入投票流程。每个节点都会经历 Pre-// 三个阶段，根据收到的消息决定是否投票/进入下一阶段。每个节点投票后都会向所有其他节点发送消息。如果某个节点在两阶段投票后达成了多数共识，则各个节点可以更新本机状态并结束本轮投票。视图变更（View-）只有在多数节点发起的情况下才会执行。当当前的领导节点无法正常执行任务时，这可以取代当前的领导节点，保证协议的正常运行。

PBFT 的特点

PBFT 与中本聪共识（区块链）有着截然不同的特点：PBFT 是一种许可制、基于领导节点、基于通信的共识协议，它优先考虑安全性而不是活动性。

PBFT 的问题

首先，PBFT中每个节点在每一轮投票中需要进行n次通信，假设n为1000，则每次共识至少需要10万次通信。虽然PBFT已经是BFT家族中最实用的协议，但如此庞大的通信需求依然是扩展的瓶颈。

如何提高效率？

聚合签名

为了提高效率，一个直观的想法就是避免nn次通信。我们可以指定网络中的一个节点作为协调器，负责向各个节点发送/接收投票，这样各个节点只需要向协调器发送消息，从而避免nn次通信。然而在这样的场景下，协调器可能会作恶，因为协调器可以在实际收到指定数量的消息之前，执行下一轮投票或者更新状态。因此，我们可以使用阈值签名（）来保证协调器的合法行为。阈值签名可以保证超过阈值数量（t-of-n）的签名都是有效的。换句话说，我们可以规定，只有当协调器收集到2f+1个阈值签名时，协调器才能以合法的签名继续推进共识。FBFT是BFT家族协议，它使用聚合签名来提高效率。

图 1：FBFT

管道设计

每个内容必须经过两轮投票/三个阶段才能达成共识。如果有m条内容，则需要进行2m次投票。管道设计（）可以减少投票次数。其基本思想是：每个节点在第i轮投票时，同时也在为前一个内容i-1投票。这样可以省去对同一内容重复投票的冗余，大大提高效率。这一思想最早见于2018年发布的协议。

图 2：

只有部分节点参与共识：最小生成树

另一种提高效率的方法是避免所有节点都参与共识，而这正是比原链 BBFT 所做的。在 BBFT 中，节点的类型有三种：Node/Node/Node。这些节点形成一个树形结构，树是网络中节点的最小生成树，可能由分布式算法衍生，也可能由外部服务提供。树叶处的节点为 Node；树的根为 Node；其余为 Node。每个节点都有不同的任务：Node 负责投票；Node 不需要参与投票，但必须负责聚合 Node 发来的签名；Node 负责与其他 Node 交换消息。BBFT 的运行流程如下图所示，BBFT 的共识过程就是信息从根传播到树叶再回到根的过程。

图 3：BBFT：树

图 4：BBFT

如何确保正确性（和）？

在将新技术引入PBFT提高效率的同时，也要保证协议本身的安全性和活跃性。接下来我们来看看上述协议是如何保证这两点的。

看法-

FBFT 采用了 PBFT 的 view ，即正常情况下不更换 节点，只有当超过 2f+1 个节点发起 view 时才更换 节点。虽然 view 本身是一种可以更换恶意 节点的机制，但也要求协议必须有三个阶段才能保证协议的安全性（即不发生分叉）。

领导者轮换 ( )

另一方面，引入了领导节点轮换机制，每轮更换领导节点，避免视图变更带来的高通信成本。领导节点轮换在很多BFT家族协议中也很常见，被认为是保障安全性的主流机制。

杂交种（）

Bytom BBFT 取其长，采用视图变更和领导节点轮换，可谓双保险。但值得注意的是，目前的 BBFT 技术白皮书只有一轮投票模型，并没有提出两轮投票/三阶段共识模型。另外，领导节点轮换顺序也将根据各个节点的质押情况进行，若有节点违反协议，则会受到惩罚。

BBFT 的挑战

基于以上分析比较，BBFT 目前面临几个重大挑战。首先，最小生成树的生成，如何兼顾去中心化和效率？其次，BBFT 仅采用单轮投票作为共识，当引入观点变更时，可能会出现分叉，这样的网络也会受到日蚀攻击的威胁。最后，在引入门限签名的前提下，需要引入分布式私钥生产协议（Key）来共同生成私钥。这部分在技术白皮书中还未提及，但它是可能造成瓶颈的潜在因素。

结论

本文简单介绍了PBFT的特点及其性能问题，并对比了FBFT//BBFT等协议针对性能问题的解决方案，最后总结了比原链BBFT未来的挑战，希望能够帮助读者更好的理解BBFT的本质。

参考