Libra概念原理、潛在影響及與中國版數字貨幣的比較

（2）使用拜占庭容錯（BFT）共識機制

Libra采用了LibraBFT共識協議來保障整個網絡在高交易處理量、低延遲和更高能效的情況下快速達成一致。為了說明LibraBFT的原理，我們需要首先探討是什么樣的需求使其變得如此重要。

拜占庭容錯（Byzantine Fault Tolerance）始于圖靈獎得主Leslie Lamport描述的一個計算機領域經典問題：拜占庭將軍問題。問題大意是拜占庭帝國在歷史上幅員遼闊，其軍隊相互分散。在不存在核心指揮官的情況下，相互聯系只能依靠各個軍隊的將軍間進行兩兩點對點通信。如果需要進攻或有敵軍進犯，各將軍間便需要通過溝通達到協調一致的效果。在現實環境下，可能會有若干因素影響共識達成：消息傳遞通路可能存在問題；部分將軍可能叛變；叛變的將軍可能會惡意傳達錯誤消息給其他將軍；部分軍隊可能被圍困導致無法行動等。在如此惡劣的環境之下，如何保證大部分軍隊取得共識？或者說，到底有多少將軍同時出現問題，才會導致系統的全盤崩潰？

這個比喻跟區塊鏈系統中面臨的問題非常類似。區塊鏈去中心化的根基在于全網需要針對某筆交易（transaction）取得共識。在沒有中心節點的情況下，共識只能依靠網絡中各個節點相互之間點對點通信來進行協商。但實際網絡中通信鏈路可能出錯，各個節點可能會失效，同時可能會發生惡意攻擊。那么如何保證全網能夠順利取得共識呢？

為了解決這個問題，比特幣采用的是工作量證明（PoW）的方式，即由礦工們通過付出大量算力挖礦來爭奪對當前區塊的記賬權，他們的回報就是挖礦得來的比特幣。不誠實的礦工不會愿意付出如此大的代價來換取挖礦收益，但為了破壞整個網絡，他們必須掌握全網50%以上的算力才可掌控新區塊的產生。這在當今世界幾乎是不可能的。但這樣做也有明顯缺陷，其計算復雜導致能源浪費嚴重，同時導致區塊生成的時間過長，確認交易往往需要數十分鐘的等待時間，用作在線支付系統之時實時性難以滿足要求。

LibraBFT由HotStuff算法改進而來。為避免過于復雜的技術討論，本文只簡要說明共識的流程。與比特幣完全工作在網狀網絡不同，BFT算法為了降低流程復雜度，需要工作在有若干重要節點的星型網絡中，即各重要節點之間互相通信，其余節點只跟臨近的一個重要節點之間產生聯系。這也是為何Libra在初期要工作在聯盟鏈，而不是公有鏈上的重要原因。

LibraBFT定義這些重要節點為驗證者（Validator），在網絡中起到接受交易請求和驗證區塊有效性的作用。當一筆交易產生后，它會被最近的一個驗證者接收，此時該驗證者就作為發起者（Leader）來組織驗證程序。它將若干筆交易打包進一個區塊（Block），并廣播給網絡上所有其他驗證者（圖1中步驟①）。其他驗證者收到區塊后進行驗證，如果認可這一區塊，則向發起者回傳投票（Vote）結果（圖1中步驟②）。在收集到足夠多的投票后，發起者生成一個法定人數證明（QC，quorum certification），代表該區塊已經得到了足夠多節點的確認，并把該證明向所有驗證者廣播（圖1中步驟③）。此時所有驗證者節點都將根據這一消息更新本地保存的區塊鏈狀態，將新驗證的內容加入。這一過程稱為一輪（Round）。之后其他交易所產生的驗證內容也會陸續加入。為了避免前述失效或者惡意節點在此過程中進行破壞，新加入的內容將在三輪之后才正式被全網接納或提交（Commit），正式成為整個區塊鏈的一部分。

比特幣所采用的工作量證明機制可以防止50%的節點失效，而且對所有節點一視同仁，可以直接應用在公有鏈上。相比之下，LibraBFT理論上只能防止不超過1/3的節點失效，而且必須指定若干重要節點作為驗證者，使得其看起來不如比特幣強大。但LibraBFT在較大程度上縮短了交易的確認時間，使其可以適應現實交易需求。此外，Libra發布初期將工作在聯盟鏈上，各重要節點均為聯盟成員提供，惡意節點出現的概率將大大降低。從實踐的角度看，LibraBFT在安全性和效率方面是相比于比特幣的更優選擇。