[論文レビュー] Network-Agnostic State Machine Replication

Erica Blum, Jonathan Katz+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 28被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、同期的および非同期的ネットワークの両方で最適な耐障害性を達成するネットワークに依存しない状態機械複製（SMR）プロトコルを提示する。同期的環境では最大 $ t_s < n/2 $ の改ざんを耐えられ、非同期的環境では最大 $ t_a < n/3 $ の改ざんを耐えられ、条件 $ t_a + 2t_s < n $ を満たす。これは、この問題に対する既知で最もきつい境界と一致し、不可能性の結果を用いて最適性を証明する。

ABSTRACT

We study the problem of state machine replication (SMR)---the underlying problem addressed by blockchain protocols---in the presence of a malicious adversary who can corrupt some fraction of the parties running the protocol. Existing protocols for this task assume either a synchronous network (where all messages are delivered within some known time $Δ$) or an asynchronous network (where messages can be delayed arbitrarily). Although protocols for the latter case give seemingly stronger guarantees, this is not the case since they (inherently) tolerate a lower fraction of corrupted parties. We design an SMR protocol that is network-agnostic in the following sense: if it is run in a synchronous network, it tolerates $t_s$ corrupted parties; if the network happens to be asynchronous it is resilient to $t_a \leq t_s$ faults. Our protocol achieves optimal tradeoffs between $t_s$ and $t_a$.

研究の動機と目的

• 下位のネットワークが同期的か非同期的かにかかわらず、強い一貫性とライブネス保証を維持する状態機械複製（SMR）プロトコルを設計すること。
• 同期的ネットワークにおける改ざん耐性の最大数 $ t_s $ と非同期的ネットワークにおける $ t_a $ を最適化すること。
• プロトコルの耐障害性の閾値が最適であることを証明し、$ t_a + 2t_s o n $ の場合にこのようなプロトコルが存在できないことを示すこと。
• 特にネットワークの事前知識が欠如する状況において、適応的改ざんの下でもライブネスと一貫性を維持する挑戦に応えること。

提案手法

• プロトコルは、誠実な参加者がすべて同じブロック集合を選択することを保証するためのコアなプリミティブとして、ネットワークに依存しない非同期的共通部分集合（ACS）サブプロトコルを用いる。
• 二段階の実行を採用する：第一に、各参加者が入力を収集し、しきい値署名方式を用いて署名する。第二に、ACSプロトコルを実行して共通のブロック集合に収束させる。
• 公開鍵基盤（PKI）を活用してメッセージを認証し、最終的なブロック集合に含まれる入力が有効であることを保証する。
• 暗号的署名と一貫性チェックを通じて $ t_s $-有効性と $ t_a $-ライブネスを強制し、誠実な参加者が同じブロック集合に合意することを保証する。
• 同期的ネットワークでは、すべての誠実な参加者がACSプロトコルに同じ入力を使用することを保証することで、$ t_s $-有効性を達成する。
• 非同期的ネットワークでは、メッセージの遅延や悪意ある配信があっても、$ t_a $-ライブネスと $ t_a $-一貫性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同期的ネットワークでは $ t_s < n/2 $ の改ざん、非同期的ネットワークでは $ t_a < n/3 $ の改ざんを同時に耐えられる状態機械複製プロトコルを設計できるか？
• RQ2 このようなネットワークに依存しないSMRプロトコルにおいて、$ t_s $ と $ t_a $ の間の最もきついトレードオフは何か？
• RQ3 一貫性やライブネスを損なわず、両方のネットワークモデルで最適な耐障害性を達成することは可能か？
• RQ4 条件 $ t_a + 2t_s < n $ は、このようなプロトコルの根本的な限界を表しており、この境界がタイトであることを証明できるか？
• RQ5 繰り返しのビザンチン合意の実行に依存せずに、ネットワークに依存しない設定でもSMRのより強いライブネスおよび一貫性要件を満たすことは可能か？

主な発見

• 提案されたSMRプロトコルは、$ t_a + 2t_s < n $ の条件下で、同期的ネットワークでは $ t_s $-ライブネス、非同期的ネットワークでは $ t_a $-ライブネスを達成し、$ t_s < n/2 $ および $ t_a < n/3 $ を満たす。
• プロトコルは非同期的ネットワークで $ t_a $-一貫性、同期的ネットワークで $ t_s $-一貫性を保証し、すべての誠実な参加者が同じブロック列に合意することを意味する。
• プロトコルの耐障害性の閾値は最適である：$ t_a + 2t_s o n $ の場合、ネットワークに依存しないSMRプロトコルは $ t_s $ より多くの改ざんや $ t_a $ より多くの改ざんを耐えられない。
• 不可能性の結果により、$ t_a + 2t_s o n $ の場合、プロトコルが同期的ネットワークで $ t_s $-ライブネスかつ非同期的ネットワークで $ t_a $-一貫性を満たすことは不可能であることが示された。
• プロトコルのコアは、適応的改ざんや変動するネットワーク遅延の下でも、誠実な参加者が共通のブロック集合に収束することを保証するネットワークに依存しないACSサブプロトコルに依存している。
• 繰り返しのビザンチン合意や一般化されたコンパイラの制限を避けるために、限界のあるセキュリティ保証を持つ目的特化のソリューションを構築した。