详解Libra区块链及其共识协议

Libra 协会致力于对智能合约实施恰当的检查和危险控制。首要,只要协会同意和发布 的智能合约才能与 Libra 付出体系直接交互。随着时刻的推移,协会将探索恰当的控制措施, 以答应第三方方发布智能合约。

• 首要,它能够在网络中建立信赖,因为即便某些验证者节点(最多三分之一的网络)被破 坏或发生毛病,BFT 共同协议的规划也能够确保网络正常运转。
• 第二,与其他一些区块链中运用的“工作量证明”机制比较,这类共同协议还可完结高 买卖处理量、低推迟和更高能效的共同办法。
• 第三,LibraBFT 协议有助于清楚地描绘买卖的终究性,因而当参加者看到来自足够数量 验证者的买卖承认时,他们能够确保买卖已经完结。

该网络的结构是为了加 强验者运转软件的确保,包含运用要害代码分离等技术、测试共同算法的立异办法以及对依 赖关系的谨慎办理。最终,Libra 网络将界说在呈现严峻漏洞或需求升级时重新配置 Libra 区 块链的策略及过程。

除了在这些情况下确保体系的安全恢复之外,这种准备将阻挠进犯,因为 进犯者将知道他们的行为能够被反击。

上述规划决策的一个成果是,Libra 区块链将供给公共可验证性,这意味着任何人(验证 者、Libra 网络、虚拟财物服务供给商(VASP)、法律部门或任何第三方)都能够审阅一切操作 的准确性。买卖将以加密办法签名,以便即便一切验证者都被破坏,也不能承受来自具有安全 签名密钥的假造买卖。该规划与硬件密钥办理和高价值密钥的离线存储兼容。

上述规划决策的另一个成果是,Libra 区块链将支撑一种隐私方办法,该办法将考虑网络 上参加者的多样性。协会会监督 Libra 区块链协议和网络的开展,并在考虑适用的监管要求的 一起,不断评估新技术以增强区块链上的隐私合规性。

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 能够抵挡 f 个验证节点的双花进犯和分叉进犯。

LibraBFT 在一个有全局一致时刻 （GST），而且网络最大延时（ΔT）可控的 Partial Synchrony 的网络中是有用的。而且， LibraBFT 在一切验证节点都重启的情况下，也能够确保网络的共同性。

为了能够更好地理解 LibraBFT，我们回忆一下 PBFT 和 HotStuff 共同协议。

PBFT 是一类状况机拜占庭体系，要求整个体系共同保护一个状况，一切节点采纳的 举动共同。为此，需求运转三类基本协议，包含共同性协议、检查点协议和视图更换协议。 视图转化协议确保共同协议的活性（liveness）。当主节点出毛病时能确保共同能继续进行。PBFT 的视图转化协议是非常复杂的，涉及到很多音讯的重传。HotStuff 的最重要的改善， 首要是针对视图更换的协议。

HotStuff 选用门限签名机制，门限设置是（k, n）。n 个节点中一切的节点共用一个 公钥，但每一个节点有自己的私钥。每个节点用自己的私钥签名音讯 m，叫部分签名音讯， 多个节点的部分签名音讯能够用来生成一个联合签名音讯，当至少有 k = 2f+1 个节点供给部 分签名音讯时，其它任何一个节点能用公钥验证该联合签名音讯。其间 f 是体系能忍受的拜 占庭节点总数，n = 3f+1。

HotStuff 论文中提出一个“认证复杂度”的概念。认证复杂度简单来说，计算协议交 互时通讯的认证音讯数，也便是部分签名或联合签名音讯的个数。

HotStuff 两个重要的优点

• 一个是 linearity，指的是通讯的复杂程度和节点数成线性关系；
• 另一个是 responsiveness，指的是当网络通讯成为同步的时分，HotStuff 能发生 正确的 Leader 来推进协议在网络推迟的实践值内而非最大值达到共同。

HotStuff 在原先许多的 BFT 共同协议中提升了功率，降低了复杂度。根据这些特性， HotStuff 适合于构建大规模的状况仿制服务。因而，不难看出，Libra 从很多的区块链共同 算法中挑选 HotStuff，看中的是 HotStuff 的功率、线性的扩展性，以及拜占庭容错的安全 性。

这也表现了 Libra 的平衡术 – 在去中心、安全、扩展性这个棘手的区块链三难问题上， 巧妙的挑选一个平衡点。

libraBFT 的共同流程是分为不同次序（rounds），每一轮中一个 Leader 主节点被选 出。主节点会提议一个区块，里边包含多个买卖。该区块将播送给其它共同节点。其它共同 节点会验证区块里的买卖，并对其投票。主节点收到大多数（超越 2f+1，f 是体系中能忍受 的拜占庭节点数）节点的投票后，主节点把承认音讯发给一切共同节点承认。如果主节点没 收到大多数投票，或许主节点呈现毛病，副本共同节点的定时将超时，副本节点会建议新的 一轮提议。

libraBFT 在 HotStuff 根底上的改善首要在于供给一个详细的参加同步次序的 Pacemaker 规划和完结。并供给对实践买卖承认的活性剖析。LibraBFT 供给对共同节点投 票权利的重配置机制。一起它给出了对提议节点和投票节点鼓励的机制。白皮书给出了如何 检测投票节点破坏正确性的行为，为今后在协议中参加赏罚机制打下根底。一起白皮书也详 细评论如何做同步，使得投票节点能同步它们的状况。libraBFT 白皮书选用 Rust 言语来描 述协议。

在 LibraBFT 中，为了更好地支撑 Libra 生态体系的方针，LibraBFT 以多种办法扩展 和调整了核心 HotStuff 协议和完结。重要的是，LibraBFT 重新界说了安全条件，并供给了 安全、存活度和更高呼应度的扩展证明。LibraBFT 还完结了一些附加功能。

首要，经过让 验证器对块的成果状况(而不仅仅是买卖序列)进行团体签名，LibraBFT 使协议更能抵抗非确 定性过错。 还答应客户端运用法定人数证书来验证读取的数据库。

其次，LibraBFT 规划了 一个发出清晰超时的起搏器，验证器依托法定人数来进入下一轮 - 不需求同步时钟。

第三， LibraBFT 打算规划一个不可猜测的领导者选举机制，其间一轮的领导者由最新提交的块的 提议者运用可验证的随机函数 VRF 承认。 这种机制约束了进犯者能够针对领导者建议有用 拒绝服务进犯的时刻窗口。

第四，LibraBFT 运用聚合签名来保存签署裁定证书的验证者的 身份。 这使我们能够为有助于裁定证书的验证人供给鼓励，聚合签名也不需求复杂的 密钥 阈值设置。

• TxnManager 是内存池组件的接口，支撑拉取买卖以及删除已提交的买卖。 提议者使 用来自内存池中的按需拉取买卖来形成提议块。
• StateComputer 是拜访履行组件的接口。 它能够履行块，提交块，并能够同步状况。
• BlockStore 保护提议块树，块履行，投票，裁定证书和耐久存储。 它担任保护这些 数据结构组合的共同性，而且能够由其他子组件一起拜访。
• EventProcessor 担任处理各个事情 (例如, process_new_round, process_proposal, process_vote). 它公开每个事情类型的异步处理函数和驱动协议。
• Pacemaker 担任共同协议的活泼性。 它因为超时证书或裁定证书而改变次序，并在 它是当前次序的提议者时提出阻挠。
• SafetyRules 担任共同协议的安全性。 它处理裁定证书和分类信息以了解新的提交， 并确保遵从两个投票规矩 — 即便在重启的情况下（因为一切安全数据都耐久保存到 本地存储）。

一切共同音讯都由其创立者签名，并由其接收者验证。音讯验证发生在离网络层最近的地方， 以防止无效或不必要的数据进入协商共同协议。

libraBFT 根据链式 HotStuff，其承认规矩遵从 3-chain 的承认规矩。libra 能在很多 的共同协议中挑选 HotStuff，显现了 libra 团队的眼光，以及在区块链三难问题上巧妙的平 衡术。libraBFT 承继了 HotStuff，使得它的共同协议具有正确性（safety）,在半同步网络 下的活性（Liveness），终究性（Finality）；一起具有通讯线性复杂度（linearity）和响 应性（responsiveness）。

Libra 的完结也展现了简易性（simplicity）和模块化 （modularity）的完结。一起也表现了 sustainability（可持续性），不需求工作量证明以 降低能耗。

1. 《Libra 白皮书 2.0》
2. 《LibraBFT 共同协议》（邹均）