[論文レビュー] Protocol for Asynchronous, Reliable, Secure and Efficient Consensus (PARSEC) Version 2.0

P.-Y. Chevalier, Bartłomiej Kamiński+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

PARSEC v2.0 は、確率的1で合意に到達するリーダーレスで非同期なバシニンス故障耐性（BFT）コンセンサスプロトコルを提案する。このプロトコルは最大1/3のバシニンス故障に耐えられ、分散鍵生成を用いて動的メンバーシップをサポートする。ガスプベースの通信、ランダム化のためのコモンコイン、および二値合意を組み合わせることで、完全な非同期環境下でも安全性和とライブネスを保証し、形式的正しさの証明とオープンソースのRust実装を備えている。

ABSTRACT

In this paper we present an open source, fully asynchronous, leaderless algorithm for reaching consensus in the presence of Byzantine faults in an asynchronous network. We prove the algorithm's correctness provided that less than a third of participating nodes are faulty. We also present a way of applying the algorithm to a network with dynamic membership, i.e. a network in which nodes can join and leave at will. The core contribution of this paper is an optimal model in the definition of an asynchronous BFT protocol, and which is resilient to 1/3 byzantine nodes. This model matches an agreement with probability one (unlike some probabilistic methods), and where a common coin is used as a source of randomization so that it respects the FLP impossibility result.

研究の動機と目的

• 最大1/3の障害ノードに耐えられる完全な非同期的、リーダーレスのバシニンス故障耐性コンセンサスプロトコルを設計すること。
• 他のプロトコルで見られる確率的セーフティ保証を避けて、確率的1で合意に到達することを保証すること。
• ネットワーク初期化後に信頼できるディーラーを必要とせずに、ノードの参加・退出を含む動的メンバーシップ変更を可能にすること。
• FLP不可能性結果を尊重しながらライブネスを維持することができるコモンコインを統合し、合意のスタックを回避すること。
• 生産用分散システム（例：SAFE Network）に適した形式的証明済みで効率的かつオープンソースの実装を提供すること。

提案手法

• ノード間でのイベントと投票の効率的配布を可能にするガスププロトコルを用いて、スケーラブルで耐障害性の高い通信を実現する。
• イベントの伝搬を追跡するためのガスプグラフを用い、合意意思決定を引き起こす「興味深いイベント」を特定する。
• 観察者による過半数の二値バシニンス合意プロトコルを適用し、次のブロックを決定する。
• 非同期環境下でのライブネスを保証し、合意のスタックを回避するランダム化のためのコモンコインメカニズムを導入する。
• 動的メンバーシップ変更時にメンバーシップリストと鍵シェアを安全に更新するため、分散鍵生成（DKG）を用いる。
• 安定ブロックの伝搬を介してメンバーシップ変更を処理し、すべてのノードが新しいメンバーシップと暗号パラメータに合意することを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リーダーレスで完全な非同期なBFTコンセンサスプロトコルは、最大1/3のバシニンス故障に耐えながら、確率的1で合意に到達できるか？
• RQ2 初期化後に信頼できるディーラーに依存せずに、BFTプロトコルで動的メンバーシップ変更をどのようにサポートできるか？
• RQ3 非同期BFTプロトコルにコモンコインを統合することで、FLP不可能性結果を尊重しながらライブネスを保証できるか？
• RQ4 リーダーやラウンドロビン構造が存在しない環境で、効率的かつ信頼性の高い通信をどのように実現できるか？
• RQ5 ガスプベースのプロトコルに二値合意とコモンコインを組み合わせることで、非同期ネットワーク上でも安全性和とライブネスを両立できるか？

主な発見

• プロトコルは完全な非同期環境下でも安全性和とライブネスを保証し、悪意あるメッセージ遅延が存在しても確率的1で合意に到達する。
• アルゴリズムは最大1/3のバシニンス故障に耐えられ、BFTコンセンサスの理論的最適値と一致する。
• DKGと安定ブロック伝搬を用いて動的メンバーシップ変更をサポートし、初期化後に信頼できる外部介入なしにノードの参加・退出が可能である。
• 一貫性のある投票ルールと強力に見られたイベントによる線形履歴再構築のおかげで、すべての正しいノードが同じブロックに合意する。
• コモンコインの使用により、FLP不可能性結果を尊重しながらライブネスを維持し、合意のスタックを回避するランダム化が可能になる。
• 観察者投票、過半数合意、線形履歴整合性に関する補題を用いて、プロトコルの正しさが形式的に証明されている。