[论文解读] A lightweight BFT consensus protocol for blockchains

Jan Hackfeld|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 11被引用 6

一句话总结

本文提出 Lisk-Bft，一种轻量级拜占庭容错（BFT）共识协议，适用于区块链系统，可在少于 1/3 的拜占庭验证者情况下保证安全性，并在少于 1/3 的崩溃故障情况下保证活性。该协议通过在区块中仅使用两个额外整数编码共识信息，无缝集成至 Lisk 区块链，无需额外消息，通过一种允许区块提议与共识独立进行的有 fork 的设计实现最终性。

ABSTRACT

We present a general consensus framework that allows to easily introduce a customizable Byzantine fault tolerant consensus algorithm to an existing (Delegated) Proof-of-Stake blockchain. We prove the safety of the protocol under the assumption that less than 1/3 of the validators are Byzantine. The framework further allows for consensus participants to choose subjective decision thresholds in order to obtain safety even in the case of a larger proportion of Byzantine validators. Moreover, the liveness of the protocol is shown if less than 1/3 of the validators crash. Based on the framework, we introduce Lisk-BFT, a Byzantine fault tolerant consensus algorithm for the Lisk ecosystem. Lisk-BFT integrates with the existing block proposal mechanism, requires only two additional integers in blocks and no additional messages. The protocol is simple and provides safety in the case of static validators if less than 1/3 of the validators are Byzantine. For the case of dynamically changing validators, we prove the safety of the protocol assuming a bound on the number of Byzantine validators and the number of honest validators that can change at one time. We further show the liveness of the Lisk-BFT protocol for less than 1/3 crashing validators.

研究动机与目标

• 设计一种可轻松集成至现有（委托）权益证明区块链的拜占庭容错共识协议。
• 通过允许主观决策阈值，在超过 1/3 的验证者为拜占庭的情况下仍能保证安全性。
• 在少于 1/3 的验证者崩溃故障下保持活性，确保在部分同步网络中的鲁棒性。
• 通过直接在区块中编码共识信息，避免额外消息，最小化通信开销。
• 提供一种通用共识框架，适用于多种区块链系统，并支持可定制的安全性和活性保证。

提出的方法

• 协议采用有 fork 的设计，允许区块提议与共识决策独立进行，降低延迟和通信开销。
• 引入一种转换机制（定义 4.1），基于区块高度和时间，将诚实验证者生成的区块映射为隐含的 prevote 和 precommit。
• 通过决策阈值机制实现共识：若验证者在链中观察到超过 2/3 的验证者权重对某区块进行 precommit，则该区块被最终确定。
• 协议假设采用轮转制区块提议机制，并要求验证者集合大小的三倍小于等于最终化后连续区块的数量。
• 安全性在少于 1/3 的验证者为拜占庭的假设下得到证明，活性在少于 1/3 的验证者崩溃时成立。
• 最终性在连续 ρ 个区块后达成，其中 ρ ≥ 3|V_B|，确保诚实验证者在 pre-vote 和 pre-commit 阶段均生成区块。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种通信开销极低的 BFT 共识协议，同时保持强安全性和活性保证？
• RQ2 在有 fork 的共识模型中，如何在不需额外消息的情况下实现最终性？
• RQ3 当拜占庭验证者数量超过 1/3 时，何种条件可确保安全性，前提是验证者使用主观决策阈值？
• RQ4 当少于 1/3 的验证者发生崩溃故障时，协议如何保持活性？
• RQ5 能否构建一种通用共识框架，使区块链系统支持可定制的安全性和活性属性？

主要发现

• Lisk-Bft 在少于 1/3 的验证者为拜占庭时保证安全性，在少于 1/3 的验证者崩溃时保证活性。
• 协议在连续 ρ 个区块后实现最终性，其中 ρ ≥ 3|V_B|，且当链中超过 2/3 的验证者权重对某区块 precommit 时触发最终性。
• 当区块 B^(1) 前置有 ρ 个区块，且每个在 >2/3 权重集合中的诚实验证者在前 j 个区块和后 ρ−j 个区块中至少生成一个区块时，最终性即被触发。
• 协议每区块仅需两个额外整数编码共识状态，无需额外消息。
• 任何具有决策阈值 τ_V ∈ (1/3, 2/3] 的诚实验证者，一旦在链中观察到来自 >2/3 权重子集的足够 precommit，即可最终确定区块 B^(1)。
• 通用共识框架支持可定制的安全阈值，并可通过聚合签名进一步降低通信开销。