[論文レビュー] IBFT 2.0: A Safe and Live Variation of the IBFT Blockchain Consensus Protocol for Eventually Synchronous Networks

Roberto Saltini, David Hyland-Wood|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 10被引用数 20

ひとこと要約

IBFT 2.0 は、即時最終性を保証し、最終的に同期的ネットワークでも安全かつライブに動作する、Byzantine Fault-Tolerant で Proof-of-Authority のコンsortiumブロックチェーン向けコンSENSUSプロトコルであり、動的バリデーター設定をサポートする。このプロトコルは、メッセージ認証の改善、ブロックハッシュにおけるラウンド番号の独立性、および署名集約の最適化を通じて、元の IBFT プロトコルの安全性とライブネスの問題を解決し、敵対的条件下でも強固な最終性を達成する。

ABSTRACT

In this work, we present IBFT 2.0 (Istanbul BFT 2.0), which is a Proof-of-Authority (PoA) Byzantine-fault-tolerant (BFT) blockchain consensus protocols that (i) ensures immediate finality, (ii) is robust in an eventually synchronous network model and (iii) features a dynamic validator set. IBFT 2.0, as the name suggests, builds upon the IBFT blockchain consensus protocol retaining all of the original features while addressing the safety and liveness limitations described in one of our previous works. In this paper, we present a high-level description of the IBFT 2.0 protocol and related robustness proof. Formal specification of the protocol and related formal proofs will be subject of a separate body of work. We also envision a separate work that will provide detailed implementation specifications for IBFT 2.0.

研究の動機と目的

• 最終的に同期的ネットワーク条件下で、元の IBFT プロトコルに存在する安全性とライブネスの脆弱性を解消すること。
• Proof-of-Authority (PoA) ブロックチェーン環境において、即時最終性を維持するとともに動的バリデーター設定をサポートすること。
• Byzantine 故障に対して耐性を持つ堅牢なコンセンサスメカニズムを形式化し、メッセージオーバーヘッドを最小限に抑え、効率を向上させること。
• クォーラムベースの証明書と集約署名を用いて、ブロックの安全かつ効率的な最終化を可能にすること。
• メッセージ内のラウンド番号からブロックハッシュを分離することで、意味論的な明確性と最終化の正しさを向上させること。

提案手法

• プロトコルは、少なくとも 2f+1 個のバリデーターがブロックに合意することで最終化を保証するクォーラムベースのメカニズムを採用しており、f 個の Byzantine バリデーターが存在しても安全であることを保証する。
• 本質的なメタデータ（ラウンド番号、ブロックハッシュ、プロポーザル署名、Prepare メッセージの署名）のみを含む Prepared-Certificate を導入することで、冗長性を低減する。
• 暗号的署名とメタデータから再構築することで、Prepared-Certificate から繰り返しのメッセージ本体を削除し、効率を向上させる。
• 複数の Prepare メッセージ署名を1つの署名に圧縮する集約署名方式を採用することで、証明書サイズを縮小する。
• ブロックハッシュは Ethereum ブロックのみを対象とし、ラウンド番号を含めないことで、ブロックの最終化（ラウンド固有のプロポーザルではなく）を意味論的に整合させる。
• Finalization 証明は、バリデーターからの Quorum(nh) コミットシールによって構築され、すべてのシールが同じラウンド番号を指している場合にのみ一貫性が保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PoA BFT コンセンサスプロトコルは、最終的に同期的ネットワークにおいて、即時最終性を達成しながら安全性とライブネスを両立できるか？
• RQ2 冗長性を低減し効率を向上させるために、メッセージ認証をどのように最適化できるか？ ただし、セキュリティを損なわないようにする。
• RQ3 ブロックハッシュをラウンド番号から分離することで、最終化の正しさと耐障害性にどのような影響を与えるか？
• RQ4 集約署名を効果的に用いて、Prepared-Certificate のサイズを縮小しつつ、検証可能性と整合性を維持できるか？
• RQ5 BFT プロトコルにおいて、安全性やライブネスの保証を損なわずに、動的バリデーター設定をどのようにサポートできるか？

主な発見

• プロトコルは、ブロック最終化に 2f+1 個以上のコミットシールを要件としているため、即時最終性を達成しており、再組織化が不可能であることを保証する。
• 本質的なメタデータのみを含む Prepared-Certificate の使用により、メッセージの肥大化を低減し、スケーラビリティを向上させつつ、セキュリティを損なわない。
• ラウンド番号をブロックハッシュ計算から除外することで、ブロックの最終化（ラウンド固有のプロポーザルではなく）を意味論的に整合させ、正しさが向上する。
• 集約署名により、Quorum(nh)−1 個の個別署名を1つの集約署名に置き換えることで、Prepared-Certificate のサイズが著しく縮小され、帯域幅効率が向上する。
• プロトコルは、最終的に同期的ネットワークにおいても、誠実なバリデーターがクォーラムの交差を介して常に合意に到達できることを保証することで、安全性とライブネスを維持する。
• 形式的解析により、誠実なバリデーターが矛盾する Prepared-Certificate を生成することは不可能であることが確認され、提示された仮定下で安全性が保たれている。