[論文レビュー] Practical Synchronous Byzantine Consensus

Ling Ren, Kartik Nayak+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2017

Distributed systems and fault tolerance被引用数 20

ひとこと要約

本稿では、同期性を仮定することで、PBFTの$3f+1$レプリカ要件を縮小し、$2f+1$レプリカ耐障害性を達成する実用的なビザンチン状態機械複製および合意プロトコルを提示する。同期性を活用して、$f+1$の健全なレプリカですべてのpre-commitクォーラムと交差するpost-commitクォーラムを形成することで、従来の手法よりも少ないラウンド数で高速な合意が可能になる。

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 to $n=2f+1$ by utilizing the synchrony assumption. The key challenge is to ensure a quorum intersection at one \emph{honest} replica. Our solution is to rely on the synchrony assumption to form a \emph{post-commit} quorum of size $2f+1$, which intersects at $f+1$ replicas with any \emph{pre-commit} quorums of size $f+1$. Our protocol also solves synchronous authenticated Byzantine agreement in fewer rounds than the best existing solution (Katz and Koo, 2006). A challenge in this direction is to handle non-simultaneous termination, which we solve by introducing a notion of \emph{virtual} participation after termination. Our protocols may be applied to build practical synchronous Byzantine fault tolerant systems and improve cryptographic protocols such as secure multiparty computation and cryptocurrencies when synchrony can be assumed.

研究の動機と目的

• 同期性仮定を活用することで、ビザンチンフォールトトレラントのためのレプリカ数を$3f+1$から$2f+1$に削減すること。
• KatzとKoo（2006）のような既存のプロトコルよりも少ないラウンド数で同期型認証付きビザンチン合意を解決すること。
• 終了後に非同時終了を扱うために、終了後に仮想参加を導入することで、同期合意における非同時終了を解決すること。
• 同期性仮定のもとで、ビザンチンフォールトトレラントシステムの実用的導入を可能にすること。
• 同期性が保証できる状況において、安全なマルチパーティ計算や暗号通貨などの暗号プロトコルの効率を向上させること。

提案手法

• 同期性仮定を活用し、$f+1$の健全なレプリカですべてのpre-commitクォーラムと交差するサイズ$2f+1$のpost-commitクォーラムを形成する。
• 同期性下でのクォーラム交差保証を用いて、$f$個のビザンチン故障が存在する状況でも一貫性とライブネスを確保する。
• 非同時終了を処理するため、終了後にブロッキングを伴わずに合意を完了できるように仮想参加を導入する。
• 従来の解決策よりもラウンド数を減らした新しい認証付きビザンチン合意プロトコルを設計する。
• 認証通信とタイミング仮定に依存することで、同期モデルにおける安全性和とライブネスを保証する。
• 新しい合意プロトコルに基づく状態機械複製プロトコルを構築し、$2f+1$レプリカ耐障害性を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同期性のもとで、ビザンチン状態機械複製のレプリカ数を$3f+1$から$2f+1$に削減することで、より効率的なものにできるか？
• RQ2 同期型ビザンチン合意プロトコルにおいて、健全なレプリカでクォーラム交差をどのように保証できるか？
• RQ3 非同時終了が生じるにもかかわらず、高速な終了とライブネスを保証するためのメカニズムは何か？
• RQ4 同期型認証付きビザンチン合意におけるラウンド数を、既存の解決策を下回るように減らすことは可能か？
• RQ5 正しく動作を保つように、非同時終了を仮想参加を用いて解決する方法は何か？

主な発見

• 提案されたプロトコルは、PBFTの$3f+1$要件を上回る$2f+1$レプリカでのビザンチンフォールトトレラント性を達成する。
• 同期性仮定を活用してサイズ$2f+1$のpost-commitクォーラムを形成することで、$f+1$の健全なレプリカですべてのpre-commitクォーラムと交差する。
• KatzとKoo（2006）の最良な既存ソリューションよりも少ないラウンド数で同期型認証付きビザンチン合意を解決する。
• 仮想参加の導入により、安全性和やライブネスを損なわずに非同時終了を正しく処理できる。
• プロトコルは実用的であり、同期性が保証できる状況において、安全なマルチパーティ計算や暗号通貨を含む実世界のシステムに適用可能である。
• 認証付き同期通信のもとで、強力な一貫性とフォールトトレラント性を維持する。