[論文レビュー] Asymmetric Byzantine Consensus.

Christian Cachin, Luca Zanolini|arXiv (Cornell University)|May 18, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 24被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、プロセスが主観的な信頼仮定を持つ非対称Byzantineクorumシステム向けに、2つの新しいコンセンサスプロトコルを提示する。1つ目のプロトコルは部分的に同期的な設定でデジタル署名を用い、PBFTを一般化する。2つ目のプロトコルは非同期的で署名フリーであり、非対称信頼を伴う共通コインプリミティブを用いて最適な耐障害性を達成し、ブロックチェーンおよび分散システムにおける柔軟な信頼モデルを可能にする。

ABSTRACT

Byzantine quorum systems provide a widely used abstraction for realizing consensus in a distributed system prone to Byzantine faults, in which every process has the same failure assumption. Motivated by the requirements of more flexible trust models in the context of blockchain consensus, Cachin and Tackmann (OPODIS 2019) introduced asymmetric quorum systems as a generalization of Byzantine quorum systems, where every process is free to choose which other processes to trust and which not; this results in a subjective, asymmetric trust assumption. Consensus is arguably one of the most important notions in distributed computing and also relevant for practical systems. This work shows how to realize consensus protocols with asymmetric trust. A first protocol works in partially synchronous systems; it generalizes the consensus algorithm underlying PBFT and uses digital signatures. A second protocol is asynchronous, uses no cryptographic signatures, and achieves optimal resilience. Randomization is provided through a common coin primitive with asymmetric trust. The resulting protocols can find application also in other domains.

研究の動機と目的

• 従来のByzantineクorumシステムにおける対称的信頼仮定の制限、特に柔軟な信頼モデルを必要とする現代のブロックチェーンシステムにおける課題を解決すること。
• 各プロセスが誰を信頼するかを独立に決定できる、主観的で非対称的な信頼をサポートするコンセンサスプロトコルを設計すること。
• デジタル署名に依存せずに非同期システムにおける最適な耐障害性を達成すること。
• 非対称信頼の下でのコンセンサスのための形式的枠組みを提供し、従来のByzantineクorumシステムを一般化すること。

提案手法

• デジタル署名を用いてPBFTアルゴリズムを拡張し、非対称クorum選択を処理できる部分的に同期的なコンセンサスプロトコルを設計する。
• 非同期プロトコルにおけるランダム化を可能にするために、非対称信頼を伴う共通コインプリミティブを導入する。
• 各プロセスが主観的信頼に基づいて自らのクorumセットを選択する非対称クorumシステムを採用し、従来のByzantineクorumシステムを一般化する。
• 共通コインを非対称信頼とともに用いることで、署名フリーの非同期コンセンサスプロトコルを構築し、最適な耐障害性を達成する。
• 安全性とライブネスを非対称信頼仮定の下で保証するために、暗号的プリミティブ（デジタル署名および共通コイン）を用いる。
• それぞれのシステムモデル（部分的に同期的および非同期的）における両プロトコルの正しさと耐障害性の上限を証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼がすべてのプロセス間で対称的ではなく、主観的で非対称な分散システムにおいて、コンセンサスはどのように達成できるか？
• RQ2 デジタル署名を用いて、PBFTを非対称クorumシステムに一般化した部分的に同期的なコンセンサスプロトコルを設計できるか？
• RQ3 非対称信頼仮定の下で、デジタル署名に依存せずに非同期システムで最適な耐障害性を達成することは可能か？
• RQ4 非同期設定における非対称信頼下でランダム化をどのように実装できるか。これに対応するプリミティブは何か？
• RQ5 非対称クorumシステムにおけるコンセンサスプロトコルの耐障害性および正しさの保証は、従来のByzantineクorumシステムと比べてどうなるか？

主な発見

• 部分的に同期的なプロトコルはPBFTを非対称クorumシステムに一般化し、部分的に同期的なネットワークとデジタル署名の仮定の下で安全性とライブネスを保証する。
• 非同期プロトコルはデジタル署名を用いず、共通コインプリミティブと非対称信頼を用いて最適な耐障害性（t < n/3まで）を達成する。
• 共通コインプリミティブは非対称信頼下でのランダム化をサポートするように設計されており、非同期モデルにおけるライブネスを実現する。
• 両プロトコルはそれぞれのシステムモデルの下で形式的に正しく証明されており、耐障害性の上限がByzantineフォールトトレラントの理論的限界と一致する。
• 本アプローチは、柔軟で主観的な信頼モデルを必要とするブロックチェーンおよび分散システムにおける実用的導入を可能にする。
• 非対称信頼が、適切な暗号的プリミティブ（共通コインや署名など）と組み合わせられれば、耐障害性や正しさを損なわないことが示された。