[論文レビュー] Aleph: Efficient Atomic Broadcast in Asynchronous Networks with Byzantine Nodes

Adam Gągol, Damian Leśniak+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 33被引用数 6

ひとこと要約

この論文では、ベーシック・アトミックブロードキャストを非同期ネットワークで定数遅延で達成する、新しい非同期Byzantine Fault Tolerant（ABFT）プロトコルであるAlephを提示する。HoneyBadgerBFTに比べ、信頼できるディーラーの必要性を排除し、遅延を対数的から定数に低下させた。信頼できないABFT乱数ビーコンを導入し、メモリ枯渇攻撃に対しても、新規のアラートシステムにより耐性を示す。

ABSTRACT

The spectacular success of Bitcoin and Blockchain Technology in recent years has provided enough evidence that a widespread adoption of a common cryptocurrency system is not merely a distant vision, but a scenario that might come true in the near future. However, the presence of Bitcoin's obvious shortcomings such as excessive electricity consumption, unsatisfying transaction throughput, and large validation time (latency) makes it clear that a new, more efficient system is needed. We propose a protocol in which a set of nodes maintains and updates a linear ordering of transactions that are being submitted by users. Virtually every cryptocurrency system has such a protocol at its core, and it is the efficiency of this protocol that determines the overall throughput and latency of the system. We develop our protocol on the grounds of the well-established field of Asynchronous Byzantine Fault Tolerant (ABFT) systems. This allows us to formally reason about correctness, efficiency, and security in the strictest possible model, and thus convincingly prove the overall robustness of our solution. Our protocol improves upon the state-of-the-art HoneyBadgerBFT by Miller et al. by reducing the asymptotic latency while matching the optimal communication complexity. Furthermore, in contrast to the above, our protocol does not require a trusted dealer thanks to a novel implementation of a trustless ABFT Randomness Beacon.

研究の動機と目的

• Byzantine障害を伴う極めて厳しい非同期ネットワークモデルにおいて、ブロックチェーンシステムで実用的かつ効率的なABFTプロトコルを設計すること。
• HoneyBadgerBFTなどの先行システムに見られる信頼できるディーラーに依存する仕組みを排除すること。
• アトミックブロードキャストの漸近的遅延を、対数的から定数に低下させ、同期プロトコルの楽観的ケース性能に一致させること。
• 敵対的ネットワーク状態下でも正しさと強靭性を保証する、形式的かつ数学的根拠に基づいたセキュリティモデルを提供すること。
• 分散化システムで利用可能な、信頼できないがABFT準拠の乱数ビーコンを導入すること。

提案手法

• ノードが複数の親を持つユニットを生成するDAGベースの構造を採用し、効率的かつ耐障害性の高いコンセンサスを実現する。
• 信頼できる第三者を必要としない、新規の信頼できないABFT乱数ビーコンを採用し、予測不能で共通の乱数を生成する。
• ネットワーク通信とコンセンサス論理を分離する二層構造を採用し、明確さとモジュラリティを向上させる。
• 過剰なフォークユニットの監視により、メモリ枯渇攻撃を検知・緩和するアラートシステムを導入する。
• 敵対的遅延や合意形成の共謀に対しても、ローカルチェックとグローバル整合性を保証する仕組みにより、妥当性を確保する。
• 最適な通信複雑度と定数遅延検証を達成するため、G-BFT（一般化Byzantine Fault Tolerance）フレームワークの変種を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非同期ネットワークにおいて、定数遅延のアトミックブロードキャストを実現する実用的ABFTプロトコルを設計できるか？
• RQ2 信頼できるディーラーに依存せず、信頼できないABFT準拠の乱数ビーコンをどのように構築できるか？
• RQ3 DAGベースのコンセンサスプロトコルにおいて、メモリ枯渇攻撃を防ぐためのメカニズムは何か？
• RQ4 同期プロトコルの楽観的ケース性能に一致しながらも、非同期環境下で安全に保てるか？
• RQ5 Byzantine故障耐性の最も厳しいモデルにおいて、形式的正しさとセキュリティをどのように証明できるか？

主な発見

• Alephは定数遅延のアトミックブロードキャストを達成し、HoneyBadgerBFTのO(log n)からO(1)に遅延を低下させつつ、最適な通信複雑度を維持した。
• 完全に信頼できないABFT乱数ビーコンを導入することで、信頼できるディーラーの必要性を排除した。
• アラートシステムは、DAGユニットにおける過剰なフォーク行動を特定することで、メモリ枯渇攻撃を効果的に検知・緩和した。
• 同期プロトコル（PBFTなど）の楽観的ケース3ラウンド検証時間でさえ、非同期ネットワーク下でも達成した。
• 攻撃モデルの分析により、ローカル検証のみに依存するプロトコルは、フォークユニットの指数的増加により、誠実なノードのリソースを枯渇させる脆弱性を持つことが示された。
• 形式的解析により、Alephが任意のメッセージ遅延やノード障害が発生しても、取引の完全な順序付けを保証することが確認された。