[論文レビュー] (Leader/Randomization/Signature)-free Byzantine Consensus for Consortium Blockchains.

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

Distributed systems and fault tolerance参考文献 45被引用数 45

ひとこと要約

この論文は、共同ブロックチェーンにおけるリーダー依存性、デジタル署名、ランダム化を排除する、新しいバシルトゥン合意アルゴリズムを提案する。有効性を述語ベースの意思決定メカニズムに一般化し、並列で二値合意を用いた時間最適なマルチ値還元を用いることで、最終的同期下で決定的かつ即時的な意思決定を達成し、マルチ値合意から二値合意への還元において、これまでに知られている中で最も速い性能を実現する。

ABSTRACT

This paper presents a new Byzantine consensus algorithm targeting consortium blockchains. To this end, it first revisits the consensus validity property by requiring that the decided value satisfies a predefined predicate, which does not systematically exclude a value proposed only by Byzantine processes, thereby generalizing the validity properties found in the literature. Then, the paper presents a simple and modular Byzantine consensus algorithm that relies neither on a leader, nor on signatures, nor on randomization. It features the fastest multivalued reduction to binary consensus we know of and a time optimal binary Byzantine consensus algorithm. The multivalued reduction runs multiple instances of binary consensus concurrently, which result in a bitmask that is then applied to a vector of multivalued proposals to filter out a valid proposed value that is decided. To ensure eventual decision deterministically, the underlying binary consensus algorithm assumes eventual synchrony.

研究の動機と目的

• 共同ブロックチェーン環境において、リーダー、署名、ランダム化に依存する既存のバシルトゥン合意プロトコルの制限を解消すること。
• 決定値が事前に定義された述語を満たす限り、非故障プロセスが提案しない値（特にバシルトゥンプロセスが提案した値）も特定条件下で有効と見なせるように、有効性の性質を一般化すること。
• マルチ値合意を二値合意に還元する際のオーバーヘッドを最小限に抑えた、モジュラで効率的な合意アルゴリズムを設計すること。
• 最終的同期下で、ランダム化や調整なしに決定的合意を達成する時間最適な二値バシルトゥン合意を実現すること。
• 許可型ブロックチェーン環境に特化した実用的で効率的かつ合成可能な合意ソリューションを提供すること。

提案手法

• 決定値が非故障プロセスが提案した値以外を排除するのではなく、ユーザー定義の述語を満たす限り有効と見なすことで、合意の有効性を一般化する。
• 複数の二値合意インスタンスを並列に実行することで、有効な提案を示すビットマスクを生成するマルチ値合意還元を採用する。
• ビットマスクをマルチ値提案のベクトルに適用して、意思決定に適した単一の有効値を選択することで、リーダーや署名のオーバーヘッドなしに効率的なフィルタリングを実現する。
• 下位の二値合意プロトコルは時間最適であり、最終的同期を仮定することで決定的終了を保証する。
• ランダム化やリーダー選出を回避するため、安全かつライブネスを故障仮定下で保証するモジュラで合成可能な構造に依存する。
• モジュラで明確に分離されたマルチ値と二値合意コンponentの構造により、シンプルで形式的に合成可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共同ブロックチェーン環境において、リーダー、デジタル署名、ランダム化機構に依存せずにバシルトゥン合意を達成できるか？
• RQ2 特定の条件下で、バシルトゥンプロセスが提案した値も含めて、有効性の性質を一般化することで、合意の決定を可能にする方法は何か？
• RQ3 最適性を保ちつつ、マルチ値バシルトゥン合意を二値合意に還元する際の最小限のオーバーヘッドは何か？
• RQ4 リーダーや署名依存性なしに、最終的同期下で時間最適な二値バシルトゥン合意を達成することは可能か？
• RQ5 許可型ブロックチェーン環境において、安全かつライブネスを保証するモジュラで合成可能な合意設計をどのように構築できるか？

主な発見

• 提案アルゴリズムは、これまでに知られている中で最も速いマルチ値還元を実現し、通信量と時間的オーバーヘッドを最小限に抑える。
• 最終的同期下で、決定時間の理論的下限に一致する時間最適な二値バシルトゥン合意プロトコルを提供する。
• ランダム化やリーダー選出を必要とせず、決定的合意を達成するため、予測可能性とセキュリティが向上する。
• 述語による有効性の一般化により、バシルトゥンプロセスが提案した値も、述語を満たす場合に限り、選択の柔軟性が向上する。
• 署名やリーダー役割の不在により、プロトコルの複雑さと攻撃面が減少し、共同環境における効率性と合成可能性が向上する。
• モジュラ設計により、下位の二値合意プロトコルを、さまざまなマルチ値合意応用に再利用可能となる。