[論文レビュー] Efficient Synchronous Byzantine Consensus

Ittai Abraham, Srinivas Devadas+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2017

Distributed systems and fault tolerance参考文献 36被引用数 48

ひとこと要約

この論文は、同期的Byzantine合意プロトコルを新たに提示し、$f < n/2$の故障耐性を$2f+1$レプリカで達成することで、状態機械複製における1決定あたりの平均ラウンド複雑性を3ラウンドに、Byzantine合意においては期待値8ラウンドにまで低減した。同期性を活用してクォーラムの交差を保証し、ランダム化されたリーダー選挙によって定数の期待ラウンドを達成することで、従来の24ラウンドの期待値を上回る性能を発揮した。

ABSTRACT

We present new protocols for Byzantine state machine replication and Byzantine agreement in the synchronous and authenticated setting. The celebrated PBFT state machine replication protocol tolerates $f$ Byzantine faults in an asynchronous setting using $3f+1$ replicas, and has since been studied or deployed by numerous works. In this work, we improve the Byzantine fault tolerance threshold to $n=2f+1$ by utilizing a relaxed synchrony assumption. We present a synchronous state machine replication protocol that commits a decision every 3 rounds in the common case. The key challenge is to ensure quorum intersection at one honest replica. Our solution is to rely on the synchrony assumption to form a post-commit quorum of size $2f+1$, which intersects at $f+1$ replicas with any pre-commit quorums of size $f+1$. Our protocol also solves synchronous authenticated Byzantine agreement in expected 8 rounds. The best previous solution (Katz and Koo, 2006) requires expected 24 rounds. Our protocols may be applied to build Byzantine fault tolerant systems or improve cryptographic protocols such as cryptocurrencies when synchrony can be assumed.

研究の動機と目的

• 同期性下で$f < n/2$のByzantine故障を許容する実用的なByzantine故障耐性状態機械複製プロトコルを設計し、PBFTの$f < n/3$制限を改善すること。
• 同期的かつ認証済み設定下でのByzantine合意のラウンド複雑性を低減し、期待値8ラウンドを達成すること。これに対して従来の研究では24ラウンドの期待値を要していた。
• 適応的攻撃者に対しても進行可能性と終了性を保証するため、各ラウンドで誠実なリーダーが選ばれる確率が$1/2$であるランダム化リーダー選挙メカニズムを導入すること。
• 限定されたメッセージ遅延と時計のずれを活用した時刻同期により、外部の時間源に依存せずに実世界のシステム（暗号通貨やセキュアな分散サービスなど）への効率的導入を可能にすること。

提案手法

• 4ラウンドのシンオド型コアプロトコルを用い、ステータス、プロポーズ、コミット、通知の各フェーズを経て、各リーダーがレプリカの状態を収集・伝搬することで合意を促進する。
• 同期性に依存して、サイズ$2f+1$のポストコミットクォーラムを形成し、サイズ$f+1$のあらゆるプリコミットクォーラムと$f+1$個の誠実なレプリカで交差することを保証することで、クォーラムの交差を実現する。
• プロポーズラウンド後にリーダーを選挙するためのランダムリーダー・オракルを用い、適応的攻撃者に対しても各イテレーションで誠実なリーダーが選ばれる確率が$1/2$であることを保証する。
• 認証のためにデジタル署名を用い、証明書ベースのメカニズムを採用することで、値が有効な証明書を添付したリーダーによって署名された場合にのみ受け入れられるようにする。
• Byzantine合意のため、古典的な変換を適用する：各参加者が同時にコアプロトコルを用いて入力値をブロードキャストし、その後すべての誠実な参加者が共有ベクトル内の最頻値に合意する。
• 限定されたメッセージ遅延と限定された時計のずれに基づいて、ロックステップ同期をブートストラップするシンプルな時刻同期プロトコルを導入し、外部時間源に依存しないようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同期的かつ認証済み設定下で、$f < n/2$の故障耐性を達成しつつ、期待値24ラウンド未満のByzantine合意を実現できるか？
• RQ2 PBFTのように$3f+1$レプリカを必要とせず、Byzantine環境下でもクォーラムの交差を保証する方法は何か？
• RQ3 同期性下でのByzantine合意の最小ラウンド複雑性は何か？また、定数の期待ラウンドにまで低減可能か？
• RQ4 適応的攻撃者に対しても耐性を保ちつつ進行性を確保するため、リーダー選挙をどのように設計すべきか？
• RQ5 $f$が$n/2$に近づいても、同期下で1決定あたり3ラウンドの平均ラウンド数を達成できる状態機械複製プロトコルを構築可能か？

主な発見

• プロトコルは、PBFTが非同期設定下で必要としていた$3f+1$レプリカではなく、$2f+1$レプリカでのみ、$f < n/2$のByzantine故障耐性を達成した。
• 通常ケースでは、状態機械複製プロトコルがスロットごとにわずか3ラウンドの平均ラウンド数で決定をコミットし、遅延を顕著に低減した。
• Byzantine合意プロトコルは期待値8ラウンドで終了し、従来の最良の24ラウンドの期待値を上回った。
• 指定された送信者がByzantineであっても、後続のイテレーションで誠実なリーダーが交差を解消することで、合意性と妥当性が保証された。
• プロポーズフェーズ後にリーダーをランダム選出するメカニズムにより、各ラウンドで誠実なリーダーが選ばれる確率が$1/2$を維持し、適応的攻撃者に対しても耐性を確保した。
• 限定されたメッセージ遅延と時計のずれを活用した同期により、暗号通貨やセキュアな分散サービスなどの実世界システムへの効率的導入が可能であると判明した。