無領導者拜占庭容錯協議設計的前導研究
這項研究探討了無領導者拜占庭容錯共識協議的理論基礎與實踐動機，並將其民主特性與強韌性，與傳統領導者導向設計的效率進行了深入比較。
非常感謝 Barnabé、Luca、Dankrad 和 Francesco 激發了一些想法，特別感謝 Luca 指引我參考一篇重要的論文，以及 Dankrad 在 HoneyBadger 方面提供的幫助。
I. 本專案背後的思考與關於「無領導者」的討論
A. 領導者主導與無領導者共識協定
B. 對於「無領導者」的考量
II. 研究結果 — 里程碑
A. 里程碑 I
B. 演算法共通性
1. 範例 (1)：具備 t < n/3、O(n²) 訊息量與 O(1) 預期時間的無簽章非同步二元拜占庭共識
2. 範例 (2)：BFT 中的 Honey Badger
C. 無領導者共識協定的原則 / 構建組件
1. 可靠廣播 (Reliable Broadcast)
2. 二元拜占庭協議 (Binary Byzantine Agreement)
3. 作為平局決勝手段的公共硬幣 (Common Coin)
4. 「強制」包含「微區塊」或微交易集（多方/一致提案）
D. 屬性分析
E. 里程碑 II — 實作與實務考量
III. 下一步
A. 對於以太坊的動機
IV. 文獻
I. 本專案背後的思考與關於「無領導者」的討論
當我最初開始這段探索之旅——更準確地說，是對去中心化網路共識協定基本原則的重新發現——時，存在兩種動機。第一種動機源於對如何優化區塊鏈架構與設計的單純提問。例如，我們如何使系統更加民主，並讓盡可能多的人在盡可能低的硬體需求下參與；這種思考代表了我們許多人最初進入區塊鏈產業的意識形態原因。我們始終真誠地相信，區塊鏈將同時帶來開放性、透明度和隱私，並徹底改變科技產業；區塊鏈本身就是這些特質的融合，融合成一種新的科技範式，並透過自身的發展繼續促進這些價值。第二種動機則純粹出於好奇：領導者主導（leader-led）的共識協定之所以成為產業標準，是因為某種源自其普及度的網路效應？還是因為無領導者（leaderless）共識機制在性能上確實無法產生實質競爭力？
除了這些個人興趣外，在 2024 年，我們也看到區塊鏈研究人員對無領導者演算法的公眾興趣日益增加。Paradigm 發布了一項無領導者拍賣提案，來自 Eigenlayer 的 Sreeram 參與合著了一篇關於 BigDipper 的論文，其中包含了一種多提案者模式，而前 SMG 的 Max Resnick 則提出了 BRAID——一種針對以太坊的潛在多鏈（某種多提案者）架構。
現在進行無領導者共識協定的研究比以往任何時候都更具相關性；但在討論針對這些問題的擬議回應之前，讓我們釐清何謂「真正的無領導者共識協定」。
A. 領導者主導與無領導者共識協定
儘管領導者主導和無領導者共識協定存在於同一個光譜的兩端，但定義「領導者主導」比定義「無領導者」要容易得多。領導者主導的演算法是指由一個中央組織者引導協定進度的協定，例如協調通訊輪次或作為該輪的決策者。在大多數經典的領導者主導共識協定中，領導者通常是指某種被指派、選出或以其他方式預先選定的單一程序（例如節點參與者、副本），負責收集來自其他程序的訊息或為整個協定提出提案（通常僅限一輪，且這並不妨礙其再次成為領導者）。
領導者主導的 BFT 在以下兩個方面效率很高：(1) 領導者在收集協定訊息時充當中心化協調者（多對一），而非最壞情況（全對全），從而顯著降低通訊複雜度；(2) 由單一程序提出有效提案比多個程序提供多個提案更有效率，因為它消除了程序必須溝通不同提案並設法選擇、進而達成「最佳」提案共識的輪次。
領導者主導協定的最大弱點是容易受到賄賂和針對性的 DDOS 攻擊（因為領導者在網路中顯然是公開已知的）。無領導者演算法比領導者主導演算法更具魯棒性，因為：(1) 它們旨在非同步環境下工作；這意味著 (2) 它們不容易受到單一程序的影響或暴露於單一程序之下，因為它們可以容忍無回應的參與者。與此同時，當協定超過數百個程序時，非同步無領導者協定在延遲和吞吐量方面會面臨挑戰。
定義或解釋「無領導者」更為困難，因為無領導者在概念上較為模糊；在某種程度上，它更多是關於它「不是什麼」，而非它「是什麼」。有些人將無領導者協定定義為：停止任何一個程序都不會阻礙整個協定的進度。我們也可以用一種較鬆散的方式來思考無領導者，即每一輪都不由任何單一程序主導，這一點越成立，它就越接近無領導者。它也可以被視為：共識構建的協作性越高，它就越接近無領導者。以下是無領導者共識協定的三個範例，以及它們在光譜上的位置（從最不「無領導者」到最「無領導者」）：
- 民主 BFT (DBFT)：DBFT 允許所有程序在一個「弱」協調者的幫助下提出和接收二元提案；諷刺的是，這是這三個範例中最不民主的一個；
- Mir：一種多提案者協定，其中多個領導者並行提出提案（且不衝突）；這是折衷方案；
- HoneyBadger BFT：程序持續接收交易，並在每個紀元（epoch）中提供這些交易集的子集，以納入最終的區塊提案；所有交易集都必須被包含在內，最終提案才有效；這是一種高度協作的共識區塊構建形式，也是這三個範例中最接近純粹「民主」端的無領導者方案。
我們可能會在此停頓並思考，協作式區塊構建是否就是「最民主的」？如果我們思考民主在區塊鏈語境下的含義，我們指的可能是最大數量的參與者對選擇哪個提案至少擁有同等的發言權。這可能同時適用於提出的/考慮的提案，以及最終被選擇追加的提案。在領導者主導的設計中，這可以透過偽隨機領導者選擇、共識參與者投票委託或權重投票（例如經濟質押越多，成為區塊提案者並決定下一個區塊的機會越高）等機制來實現。這可以與無領導者共識協定並列對比，後者本質上與「全民民主」等格言一致，因為其設計力求在所有單個程序之間擁有盡可能平等的發言權，同時在通訊複雜度和延遲等性能指標上做出盡可能少的妥協。
作為一個旁支討論，一個經常出現的問題是：比特幣運行的中本聰共識（Nakamoto consensus）是否被視為無領導者。不賣關子——我認為答案是否定的。從哲學上講，這個問題可以從兩個主要角度來看：(1) 中本聰共識共享了一些無領導者的屬性，但其結果並非無領導者式的；我的意思是它實現了我們所謂的「基於機會的民主」，我們在此定義為：每個程序都有平等的機會「贏得」區塊並擁有發言權（忽略不斷增加的硬體成本），但重要的是要考慮到；(2) 每一輪只有一個「贏家」，而該贏家「主宰」了整個區塊的交易。本質上，每個程序都有發言的機會，但最終只有一個程序有發言權。此外，現實情況是，考慮到目前階段的設備要求/投資，即使參與者透過礦池加入，在所有實際操作中，該協定似乎已不再是真正的民主，因為它將大多數人/新進入者拒之門外。值得注意的是，以太坊今天也正圍繞著單獨質押者或低經濟質押者的優先順序進行一場倫理辯論，這讓人聯想到民主與效率及「進步」之間的原則之爭。然而，這場辯論超出了本報告的範圍。
現在，我們在另一個基本問題下進一步對比這兩類共識協定——無領導者與領導者主導：無領導者協定的效率是否存在一個生存上限，特別是與領導者主導的協定相比？問題在於，即使無領導者 BFT 共識演算法在理念上更令人嚮往，它們是否也能被設計成在實務上至少與領導者主導的演算法一樣高效（無論是基於實作的可行性還是理論上）？
從歷史上看，這條研究路徑很少被探索。在很大程度上，領導者主導的共識協定之所以流行，是因為它們更容易設計，且對於當今幾乎所有投入生產的區塊鏈協定都運作良好。在當前的範式中，使用者和協定設計者自動地致力於我們在中本聰共識中所體驗到的那種民主——我們將精力集中在成為領導者的民主過程中，代價是犧牲了一個真正更民主、更協作的、由所有參與者共同決定區塊的構建過程。
B. 對於「無領導者」的考量
那麼，為什麼現在對我們這個產業來說，重新思考共識協定，特別是朝著無領導者共識協定的方向（或至少遠離領導者主導的協定）如此重要？除了真正的無領導者共識協定將促進區塊鏈在理念上一直追求的理想屬性外；它們還有可能成為像以太坊這樣的協定的令人興奮的遊戲規則改變者，以減輕或完全修復（特別是使某些問題變得無關緊要或不再是問題）L1 目前正在經歷的權衡。特別是在以太坊的背景下，我們可以發現無領導者共識層帶來的理想且有益的機會與屬性，它可以最大限度地減少圍繞時機博弈（timing games）的問題，並使其他主題（如提案者-構建者分離，PBS）消失，從而結束「提案者壟斷」。此外，鑑於無領導者區塊構建的包容性協作性質和要求，無領導者共識協定預設提供了審查抵制和 MEV 抵制。
我們以對共識更廣泛、更深層的思考來結束這部分的討論，這種思考介於意識形態論點和效率論點之間。我們需要在此明確指出，共識在這種雙重結合（意識形態與效率）的前線上對產業至關重要，因為區塊鏈就是共識。如果共識決定了鏈的「真相」以及哪條鏈是合法或規範的，那麼我們希望確保這些決定是盡可能誠實、準確地做出的，並且是為了社群的（更大利益）。那麼，共識決策是如何做出的，應該且必須是公平、公正且出於善意的。本報告的目的不是深入探討哲學思考過程並試圖證明區塊鏈應該如何治理，但我們目前提出，可能存在另一種處理共識程式設計的方法，而無領導者共識演算法可能正是最佳選擇。
在簡短探討了為什麼探索甚至擁抱無領導者共識協定對我們很重要之後，讓我們回顧一下現有研究及其相關原則中一些更有趣的發現。這些發現將幫助我們建立基礎組件，首先回答無領導者共識協定是否能具備足夠性能的問題，其次，為我們開始思考與以太坊相容的設計提供構建塊。
II. 研究結果 — 里程碑
A. 里程碑 I：完整回顧相關 BFT 文獻（包括相關非同步 BFT 文獻）。回顧任何可能與無領導者協定相關並有所幫助的有趣計算概念。
本節針對里程碑 I。在這次檔案式深度挖掘練習中，我回顧了 40 多篇關於共識協定的出版物（請參閱本報告末尾的附錄，獲取最相關閱讀清單）。無領導者共識演算法的論文是按時間順序閱讀的，以便了解其背後的理論思考是如何共同建立在彼此之上的。事實上，在思考過程中觀察到了主題重疊，演算法之間也存在明顯的相似性，特別是在所利用的特定構建塊方面。
B. 演算法共通性
較有前景的無領導者共識演算法具有明顯的共通性，且屬於無領導者共識研究的早期成果。事實上，2015 年題為《具備 t < n/3、O(n²) 訊息量與 O(1) 預期時間的無簽章非同步二元拜占庭共識》的論文中所使用的組件，提供了大多數後續領導者共識研究使用的基礎構建塊。為了準備對這些組件的分析，我們用平實的語言分解了兩個體現其用途的開創性無領導者協定的構造。
1. 範例 (1)：具備 t < n/3、O(n²) 訊息量與 O(1) 預期時間的無簽章非同步二元拜占庭共識
此共識協定使用二元拜占庭協議（Binary Byzantine Agreement）。每個程序提出一個二元值（0 或 1）。分散式演算法對單個二元值達成共識，使得：
- 所有誠實程序輸出相同的值；
- 達成一致的值至少由一個誠實程序提出。
該協定如下構建其「二元拜占庭協議」協定：每個程序首先將其估計值設置為本地提出的值；然後演算法重複運行 DSBV 實例（下文解釋），直到出現單個值，每當程序遇到未決定或預設值時，就用來自公共硬幣的隨機值替換本地估計值。
為了實現這一點，論文構建了一套逐漸增強的分散式演算法：
二元值 (BV) 廣播：每個程序廣播其提出的值。
- 如果一個程序收到來自至少 t+1 個其他程序的特定訊息，它會將此訊息廣播給所有程序；
- 如果一個程序收到來自至少 2t+1 個其他程序的特定訊息，它會將該訊息的值添加到輸出中。
直覺：僅限拜占庭的訊息會被過濾掉，因為只有被 2t+1（這是保證誠實程序數量超過惡意程序所需的最小程序比例）接收到的訊息才會由 BV 輸出。
然而，這還不是共識演算法，因為它可能輸出兩個值，且沒有終止點。
同步/強二元值 (SBV) 廣播：此演算法透過提供輸出並終止來擴展 BV。然而，它還不夠強大，無法提供完整的二元共識，因為它可能同時輸出單個值或兩個值的集合；但是，條件是所有在終止時輸出單個值的程序都輸出相同的值。該實作使用了兩次連續的 BV 廣播調用。
雙重同步二元值 (DSBV) 廣播：這是 SBV 的進一步迭代。當一個程序輸出兩個值時，它會被一個預設值替換；然而，它仍然可以輸出兩個值（在這種情況下是其中一個二元值加上預設值），但絕不會是兩個二元值。它是透過兩次連續的 SBV 調用實現的。
在某些程序無法決定的情況下，可以抽取一枚弱公共硬幣。公共硬幣是一個隨機預言機，所有參與者均可觀察，但對手無法預測（這要求在至少一個誠實程序請求之前，公共硬幣的值不可用）。大多數論文引用了 Rabin 的「隨機化拜占庭將軍」作為公共硬幣框架。
2. 範例 (2)：BFT 中的 Honey Badger
HoneyBadger 使用 CKPS01 多播，這是從 ACS（後文定義）到可靠廣播和非同步二元拜占庭協議 (ABA) 的簡化。HoneyBadger 首先注意到 CKPS01 中引入的非同步共同子集 (ACS) 原語允許透過讓程序提出要包含在區塊中的交易來構建無領導者交易處理系統（即區塊鏈）。然而，CKPS01 中的實作效率太低，HoneyBadger 透過將可靠廣播與非同步二元拜占庭協議 (ABA) 結合到一個更高效的 ACS 系統中，實現了一個新的 ACS 原語。
每個程序使用來自 ACS 的原子廣播，從其隊列中提出 B/N（B 除以網路中的程序總數）個交易。程序從每個隊列的前 B 個交易中隨機選擇交易提出（FIFO）。直覺：這促進了大部分不同交易的納入。 這些交易子集被加密，只有在 ACS 完成後才解密。直覺：透過僅在 ACS 完成後解密並使用規定的門檻加密方案 (TPKE)，該集合在對手獲知任何提案內容之前就已確定，此時至少有一個誠實程序已揭露其解密份額。
N 個程序使用二元拜占庭協議來對確認包含在最終集合中的提案值向量達成一致。直覺：程序觀察到廣播完成的順序可能彼此不同，因此在確定最終向量將至少具有 N-f 個正 (1) 位元之前，它們會棄權提出負值 (0)。
C. 無領導者共識協定的原則 / 構建組件
1. 可靠廣播 (Reliable Broadcast)
原始的可靠廣播概念已知源自 Gabriel Bracha 和 Sam Toueg 的《非同步共識與廣播協定》。可靠廣播必須至少滿足以下有效性、一致性和全體性（totality）的必要條件：
- 有效性：如果一個正確的程序輸出一個集合 v，則 |v| >= N-f 且 v 包含至少 N — 2f 個正確程序的輸入；
- 一致性：如果一個正確的程序輸出 v，則每個程序都輸出 v；
- 全體性：如果 N-f 個正確程序收到一個輸入，則所有正確程序都會產生一個輸出。
2. 二元拜占庭協議 (Binary Byzantine Agreement)
二元拜占庭協議可以修改以適應多值。
演算法必須能夠解決程序可能以拜占庭——或惡意——方式失敗（即由於拜占庭行為者）的系統中的共識問題。為了成功解決此問題，必須滿足以下條件：
- 有效性：決定的值是由正確程序提出的（不能決定僅由故障程序提出的值）；
- 一致性：沒有兩個正確程序決定不同的值；
- 決策：每個正確程序都會做出決定。
在此，無領導者共識協定有時也會使用一個類似的原語，即非同步可驗證資訊分散 (AVID-FP)。這個概念出現在 Christian Cachin 和 Stefano Tessaro 2004 年的論文《非同步可驗證資訊分散》中。該方案將可靠廣播協定與糾刪碼相結合，以在具有最佳拜占庭抗性的非同步環境中實現資訊分散網路的可驗證性。
3. 作為平局決勝手段的公共硬幣 (Common Coin)
在協定結果模糊、無法達成一致的情況下，會使用引入隨機性的預言機。公共硬幣可以是弱的或強的，其目的是在主要程序結束時解決模糊性/僵局。
4. 「強制」包含「微區塊」或微交易集（多方/一致提案）
某些無領導者共識協定（如 HoneyBadger、BigDipper 和 Mir）透過包含一項協定要求來強制執行有效的無領導者共識：要求所有領導者（所有程序或特定的程序子集）至少提出該輪交易集的一部分。然後，這些交易被要求包含在最終的區塊提案中。
D. 屬性分析
以下是我們在無領導者共識協定設計中經常看到的共同屬性/假設：
- 最佳韌性：要求 n >= 3f+1 以容忍 f 個拜占庭或故障程序。
- 全對全 (all-to-all) 的通訊複雜度。
- 在非同步或最終同步（即部分同步）的網路環境中運行。
- 確定性；值得注意的是——沒有確定性非同步共識協定能容忍哪怕一個非拜占庭故障；在非確定性環境中，協定不能容忍超過 N/3 的不誠實程序。
- 無簽章：許多無領導者共識演算法是無簽章的，這透過所有程序之間以全對全方式進行的直接點對點通訊管道成為可能。必須允許程序在程序間通訊中擁有一定程度的隱私，以便安全地達成共識（在存在拜占庭行為者的背景下）。
- 門檻加密：有助於確保在達成共識之前，提案內容對拜占庭行為者（例如試圖重新排序或審查交易的人）保持私密。
在此探討一個重要且有趣的問題：這些屬性是否是無領導者共識協定不可避免的特性？答案是，這些屬性都不是死板的規則或邏輯上的必然——也就是說，根據理論上的可能性，並非不訂閱這些屬性就無法存在無領導者共識協定。有了這種自由，我們能夠在設計與以太坊相容的無領導者共識協定時擺脫這些限制。
E. 里程碑 II — 實作與實務考量
回答兩個問題：(1) 無領導者 BFT 協定在理論上是否總是比領導者主導的協定性能更差（效率和實用性），以及 (2) 如果是，差多少（我們可以量化嗎？）？
我們沒有運行本專案研究的任何演算法，但確實回顧了論文作者透過實驗觀察到的性能指標。這些指標只有在基準測試的背景下考慮才有意義，當然對於本專案來說，將以太坊 L1 今天的狀態作為基準是有意義的；然而，以太坊的共識演算法和整體設計高度複雜，充滿了細節，使其難以與 HoneyBadger 等簡化、更抽象的協定進行比較。
就現狀而言，這些其他協定在以太坊上並非處於可用狀態，因此，目前的合理結論是：衡量以太坊的無領導者共識協定設計，實際上需要一個成熟的設計，並具備可能影響性能和實用性的相關底層細節。
這些論文確實提供了一個概念驗證，即通常存在高性能的無領導者共識協定設計，這給了我們強大的動力繼續前行。這在 HoneyBadger 的案例中尤其有趣，該案例在地理分佈（5 大洲）的廣域網 (WAN) 上進行了實驗，104 個程序達到了每秒 1.5k 次確認交易的吞吐量。
III. 下一步
那麼，這些發現是否告訴我們無領導者協定很棒？我們應該更多地擁抱它們嗎？它們性能更好嗎？我們能成功設計出與以太坊相容的無領導者共識協定嗎？它真的能解決和/或化解以太坊今天正在經歷的一些長期問題嗎？
為了回答這些問題，讓我們快速概覽一下我們認為無領導者共識協定可能解決的問題，如下所示。
A. 對於以太坊的動機
時機博弈 (Timing Games)
區塊生產者有動力在每個時隙 (slot) 內盡可能晚地提交區塊提案，因為越接近「截止日期」提交提案，區塊獎勵越高；這種現象的原因是，距離上一次價格變動（即上一個區塊）的時間越長，價格偏差以及資產價格套利（交易上）的機會機率就越高。
審查抵制 (Censorship Resistance)
防止區塊生產者從區塊提案中省略某些交易。弱審查——從自己的區塊中省略。強審查——阻止他人包含某些區塊。
MEV
MEV（最大可提取價值）是指從區塊鏈活動中「可提取」或可獲得的利潤，這由鏈固有的工程設計/架構變為可能。MEV 特指超出區塊獎勵、費用和打賞的收益。MEV 在以太坊上從根本上是可能的，基於兩個主要原則：(1) 由於公共內存池 (mempool) 和區塊構建的線性性質，可以以合理的信心預測已確認區塊的預期結果或影響。(2) 這使得理性的 MEV 搜尋者操縱一個區塊內、甚至區塊之間或跨鏈的某些交易的排序或包含/排除變得合理，以獲取套利機會。這裡的套利是廣義的，指存在可以採取行動獲利的資訊/市場/價格不對稱。
提案者-構建者分離 (Proposer-Builder Separation)
人們一直對分離提案者和構建者角色感興趣，以減少對 MEV-Boost 等協定外服務的依賴，這些服務已成為中心化服務，並需要以太坊（及其使用者）對其的依賴和信任。儘管構建者並不總是提案者，但這兩個角色的分離並非強制性的。
提案者壟斷 (Proposer Monopoly)
如本報告開頭所述，有些人認為每個時隙有一個主要的區塊提案者，在性質或實踐上並不是很民主。
在無領導者共識協定中，可以整合一些工具和機制來減輕上述問題的影響。例如，「提案者壟斷」問題在無領導者共識協定下顯然不會存在。共識和執行角色將在區塊構建活動中合併，這將消除對提案者-構建者分離的需求，而 PBS 今天可能被描述為一種修補方案，而非針對以太坊對協定外服務擔憂的根源解決方案。更難的固有問題，如審查抵制、MEV 和時機博弈，可以透過一種設計來減輕，該設計透過協作式區塊構建強制執行交易隨機化，同時考慮到執行失敗和經濟激勵。
除了以太坊主導的考慮無領導者共識協定的理由外，標準的無領導者共識協定屬性與以太坊目前的發展階段自然契合。例如，強制微區塊包含的概念與以太坊的包含列表（inclusion lists）提案一致，後者原則上透過強制包含某些交易，在作為針對參與程序的非惡意檢查以實現審查抵制方面，產生了非預期的副產品。
這個純研究專案的最終目標是為核心以太坊創建一個相對完整的無領導者協定骨架。關於里程碑 III 和 IV，我們在完成前兩個里程碑後發現，創建一個既能保持高性能又具備高標準魯棒性的無領導者 BFT 協定具有良好的潛力。
IV. 文獻
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