[論文レビュー] Federated Byzantine Quorum Systems (Extended Version)

Álvaro García-Pérez, Alexey Gotsman|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2018

Distributed systems and fault tolerance参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、Stellar や Ripple などのブロックチェーンで使用される、ノードが独立して信頼するピアを選んでクォーラムを形成する、新しいコンSENSUS モデルであるフェデレーテッド ビザンチン クォーラム システム（FBQS）を形式化する。ノードが信頼関係の選択をうそついても、ビザンチン障害下でのブロードキャスト抽象化の正しさが保証されることを示し、ノードごとにクォーラムの理解が異なる新しいタイプのビザンチンクォーラムシステムを確立する。

ABSTRACT

Some of the recent blockchain proposals, such as Stellar and Ripple, use quorum-like structures typical for Byzantine consensus while allowing for open membership. This is achieved by constructing quorums in a decentralised way: each participant independently chooses whom to trust, and quorums arise from these individual decisions. Unfortunately, the theoretical foundations underlying such blockchains have not been thoroughly investigated. To close this gap, in this paper we study decentralised quorum construction by means of federated Byzantine quorum systems, used by Stellar. We rigorously prove the correctness of basic broadcast abstractions over federated quorum systems and establish their relationship to the classical Byzantine quorum systems. In particular, we prove correctness in the realistic setting where Byzantine nodes may lie about their trust choices. We show that this setting leads to a novel variant of Byzantine quorum systems where different nodes may have different understanding of what constitutes a quorum.

研究の動機と目的

• Stellar や Ripple のようなオープンで分散型のブロックチェーンにおけるクォーラムベースのコンセンサスの厳密な理論的基盤を確立すること。
• フェデレーテッド クォーラム システムにおける基本的なブロードキャスト抽象化の正しさを、ビザンチン動作下で分析すること。
• ビザンチンノードが信頼関係についてうそをつく影響がクォーラムの有効性とシステムの安全性に与える影響を調査すること。
• ノードごとに異なる視点で有効なクォーラムが定義される、新しいタイプのビザンチンクォーラムシステムを形式化すること。
• 実用的なブロックチェーン設計と形式的分散システム理論の間のギャップを埋めること。

提案手法

• 各ノードが信頼するピアの集合を選択する信頼関係の連合としてクォーラムシステムをモデル化すること。
• クォーラム集合を、合併した信頼性がコンセンサスの安全性とライブネスを保証するノードの集合として定義すること。
• クォーラムインターセクション性質の概念を導入し、任意の2つのクォーラムが少なくとも1つの共通ノードを共有することを保証すること。
• ビザンチンノードが信頼集合を不正に報告しても、ブロードキャストプロトコルの正しさが保たれることを証明すること。
• ノードごとに異なる信頼関係の選択により、クォーラムの有効性が異なる新しいタイプのビザンチンクォーラムシステムを形式化すること。
• 形式的検証技術を用いて、攻撃的動作下での安全性とライブネスの性質を確立すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Stellar や Ripple で使用されるように、オープンなメンバーシップを有する分散型の方法でクォーラムシステムをどのように構築できるか。
• RQ2 ビザンチン障害下において、フェデレーテッド クォーラム システムにおけるブロードキャストプロトコルにどのような形式的保証を提供できるか。
• RQ3 ビザンチンノードが信頼関係についてうそをつくという仮定が、クォーラムの有効性とシステムの正しさにどのように影響するか。
• RQ4 フェデレーテッド ビザンチン クォーラム システムと古典的ビザンチン クォーラム システムとの正式な関係は何か。
• RQ5 異なるノードがクォーラムを構成するものとして認識するものに違いがある場合でも、一貫性があり安全なコンセンサスモデルを達成できるか。

主な発見

• この論文は、ビザンチンノードが信頼関係についてうそをついても、フェデレーテッド ビザンチン クォーラム システムにおいて基本的なブロードキャスト抽象化が正しく保たれることを証明している。
• すべてのクォーラム集合においてクォーラムインターセクション性質が成立し、攻撃的動作があってもコンセンサスの安全性が保証されることを確立している。
• 著者らは、クォーラムの有効性がグローバルに一様ではないが、個々のノードの信頼集合に依存する新しいタイプのビザンチンクォーラムシステムを形式化している。
• このモデルはオープンメンバーシップと分散型クォーラム形成をサポートしており、Stellar のようなシステムへの実用的導入を可能にしている。
• 理論的フレームワークは、現実世界のフェデレーテッド ブロックチェーンプロトコルにおける安全性とライブネスの推論の基盤を提供する。
• 結果として、Stellar や Ripple の設計選択が、ビザンチン条件下で形式的に妥当であることが検証され、それらのクォーラムメカニズムが正式に正当化されている。