[論文レビュー] DBFT: Efficient Byzantine Consensus with a Weak Coordinator and its Application to Consortium Blockchains

Tyler Crain, Vincent Gramoli+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2017

Distributed systems and fault tolerance被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、デジタル署名を必要とせず、部分的同期環境において時間最適かつ耐障害性最適なコンセンサスを達成する、弱いコーディネータを用いた決定的ByzantineコンセンサスアルゴリズムDBFTを提案する。従来のリーダーとは異なり、弱いコーディネータは自らの値を強制しない。代わりに、プロセスは所定のメッセージ数に達すると独立して決定を行うため、コーディネータが障害を起こしたり遅延を起こしてもコンセンサスが終了可能である。このアルゴリズムは、Byzantine障害を伴うグローバル分散環境でも平均1秒未塔のレイテンシを達成し、確率的代替手法を上回る性能を示した。

ABSTRACT

This paper introduces a deterministic Byzantine consensus algorithm that relies on a new weak coordinator. As opposed to previous algorithms that cannot terminate in the presence of a faulty or slow coordinator, our algorithm can terminate even when its coordinator is faulty, hence the name weak coordinator. The key idea is to allow processes to complete asynchronous rounds as soon as they receive a threshold of messages, instead of having to wait for a message from a coordinator that may be slow. The resulting algorithm assumes partial synchrony, is resilience optimal, time optimal and does not need signatures. Our presentation is didactic: we first present a simple safe binary Byzantine consensus algorithm, modify it to ensure termination, and finally present an optimized reduction from multivalue consensus to binary consensus that may terminate in 4 message delays. To evaluate our algorithm, we deployed it on 100 machines distributed in 5 datacenters across different continents and compared its performance against the randomized solution from Mostefaoui, Moumem and Raynal [PODC14] that terminates in O(1) rounds in expectation. Our algorithm always outperforms the latter even in the presence of Byzantine behaviors. Our algorithm has a subsecond average latency in most of our geo-distributed experiments, even when attacked by a well-engineered coalition of Byzantine processes.

研究の動機と目的

• 強力なコーディネータに依存する従来のByzantineフェイルセーフ（BFT）プロトコルの限界、すなわち障害または遅延があるとコンセンサスがブロッキングされる問題を解決すること。
• デジタル署名を必要とせず、コーディネータがByzantineまたは応答なしであってもコンセンサスが終了する決定的コンセンサスアルゴリズムを設計すること。
• 部分的同期環境において、時間最適性（4メッセージ遅延）および耐障害性最適性（t < n/3）を達成すること。
• 実際のネットワーク環境下でのリアルな遅延と故障耐性を向上させつつ、共同ブロックチェーンへの効率的導入を可能とすること。

提案手法

• 値の提案は行うが強制はしない弱いコーディネータを導入し、非故障プロセスがコーディネータの出力に依存せずに進行可能であるようにする。
• しきい値に基づくメカニズムを採用：プロセスはn−t個のプロセスからのメッセージ受信を確認すると、すぐに決定を行う。これによりコーディネータに依存しない。
• バイナリコンセンサス抽象化（BIN CONS）を基本構成要素とし、多値コンセンサスを2t+1個の信頼性の高いブロードキャスト（RB-broadcast）インスタンスを用いてバイナリコンセンサスに還元する。
• RB-broadcastを3段階プロトコルで実装：プロセスは2t+1個の異なるプロセスからの受信を確認すると、エコーを送信し、ローカルで値を配布する。
• 部分的同期を前提とし、t < n/3のByzantine障害を想定。これにより安全性和および活性性が保証される。
• コーディネータのメッセージを待たずにラウンドのオプティミスティック実行を許可することで、メッセージ遅延を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デジタル署名や確率的処理に依存せず、コーディネータが障害または遅延を起こしてもByzantineコンセンサスが終了可能か？
• RQ2 コーディネータをどれほど弱くすれば、コンセンサスがブロッキングされなくなりつつも、終了に貢献できるか？
• RQ3 部分的同期環境下で耐障害性最適性を満たす決定的Byzantineコンセンサスに必要な最小のメッセージ遅延数は？
• RQ4 BFT環境下で、多値コンセンサス問題を定数時間で終了可能なバイナリコンセンサスに還元可能か？
• RQ5 実世界のグローバル分散環境下で、確率的代替手法と比較して、弱いコーディネータを用いた決定的BFTアルゴリズムの性能は？

主な発見

• DBFTアルゴリズムは、最悪ケースで4メッセージ遅延で終了し、決定的Byzantineコンセンサスにおいて時間最適性を達成した。
• コーディネータがByzantineまたは応答なしであっても、しきい値に基づく決定メカニズムにより、コンセンサスが終了することが保証された。
• 5大陸にまたがる100台のマシンを用いたグローバル分散実験では、DBFTは協調的なByzantine攻撃下でも平均1秒未塔のレイテンシを達成した。
• DBFTは、Mostefaouiら（PODC’14）の確率的アルゴリズム（期待値O(1)ラウンドで終了）を、Byzantine障害を含むあらゆるテスト環境で上回った。
• 2t+1個のRB-broadcastインスタンスを用いた多値からバイナリコンセンサスへの還元により、t < n/3の故障下でも定数時間で終了し、正しさが保証された。
• しきい値に基づくエコーおよび配布メカニズムを備えた信頼性の高いブロードキャスト（RB-broadcast）の使用により、デジタル署名を必要とせず安全性和および活性性を実現した。