[論文レビュー] The Istanbul BFT Consensus Algorithm

Henrique Moniz|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 27被引用数 51

ひとこと要約

IBFTは、Quorumにおける状態機械レプリケーションのための決定論的なリーダー主導ビザンチン耐性コンセンサスアルゴリズムであり、同期期間下で3つのメッセージ遅延で終了し、O(n^2) の通信量で動作し、n ≥ 3f+1 のとき f 個のビザンチン故障に耐える。

ABSTRACT

This paper presents IBFT, a simple and elegant Byzantine fault-tolerant consensus algorithm that is used to implement state machine replication in the \emph{Quorum} blockchain. IBFT assumes a partially synchronous communication model, where safety does not depend on any timing assumptions and only liveness depends on periods of synchrony. The algorithm is deterministic, leader-based, and optimally resilient - tolerating $f$ faulty processes out of $n$, where $n \geq 3f+1$. During periods of good communication, IBFT achieves termination in three message delays and has $O(n^2)$ total communication complexity.

研究の動機と目的

• エンタープライズ向けの、堅牢で安全かつライブなコンセンサスを促進する。
• IBFTの正確で正式な定義と正しさの証明を提供する。
• IBFTを、遅延と通信の観点で、関連する部分的に同期したBFTプロトコルと比較する。
• GSTとネットワーク遅延の下で、安全性（合意と妥当性）と生存性（終了）を確立する。

提案手法

• PRE-PREPARE, PREPARE, COMMIT, ROUND-CHANGE メッセージを用いたラウンド単位の決定論的なリーダー主導IBFTプロトコル λ を提示する。
• JustifyPrePrepare および JustifyRoundChange述語を介して、ラウンド間の安全性を保証するためにクォーラムベースの正当化メカニズムを用いる。
• GSTと遅延の上限Δを持つ部分的同期モデルを定義し、このモデルの下で安全性（合意）と終了性（生存）を証明する。
• 合意性、妥当性、終了性の正確性証明を、帰納的議論を含む補題と定理として提供する。
• 通信の複雑さと待機時間の要約表を通じて、IBFTの性能を同僚と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビザンチン故障とネットワークの非同期性がある状況で、IBFTは安全性（合意と妥当性）をどのように保証するか？
• RQ2 不完全な通信期間において、IBFTはどのような機構で生存性（終了）を保証するのか？
• RQ3 IBFTは最適耐性境界 n ≥ 3f+1 をどのように満たし、GSTの下での待ち時間と通信コストはどれくらいか？
• RQ4 IBFTはPBFT、Zyzzyva、Spinning、SBFT、HotStuff などと比較して、複雑さと待機時間の点でどうか？

主な発見

アルゴリズム	通常ケースの通信複雑性	ビュー変更の通信複雑性	レイテンシー（メッセージ遅延）
DLS	O(n^4)	O(n^4)	O(n)
PBFT	O(n^2)	O(n^3)	3
Zyzzyva	O(n)	O(n^3)	1 / 3*
Spinning	O(n^2)	O(n^3)	3
SBFT	O(cn)^†	O(n^2)	5 / 7
HotStuff	O(n)	O(n)	8
IBFT (Sec. 4)	O(n^2)	O(n^2)	3

• IBFTは良好なラウンド中に3つのメッセージ遅延で終了し、いくつかの既存のBFTプロトコルと一致する。
• 適時な通信の下で、IBFTはO(n^2)の総通信複雑性を達成する。
• IBFTはn ≥ 3f+1の下で最大f個のビザンチン故障に耐え、準備済み/コミット済み状態管理を伴ってラウンド間の安全性を保証する。
• プロトコルはビュー変更中も安全性を維持するためにクォーラムベースの正当化を使用する。
• 比較表は、IBFTの通常ケースおよびビュー変更の通信コストをPBFT、Zyzzyva、Spinning、SBFT、HotStuff、DLSなどの同業相手と併置して示す。