[论文解读] Asymmetric Byzantine Consensus.

Christian Cachin, Luca Zanolini|arXiv (Cornell University)|May 18, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 24被引用 5

一句话总结

本文提出了两种针对非对称拜占庭法定人数系统的新型共识协议，其中各进程持有主观信任假设。第一种协议在部分同步环境下使用数字签名，推广了PBFT；第二种协议为异步、无签名的，通过使用具有非对称信任的公共硬币原原子实现最优弹性，从而在区块链和分布式系统中实现灵活的信任模型。

ABSTRACT

Byzantine quorum systems provide a widely used abstraction for realizing consensus in a distributed system prone to Byzantine faults, in which every process has the same failure assumption. Motivated by the requirements of more flexible trust models in the context of blockchain consensus, Cachin and Tackmann (OPODIS 2019) introduced asymmetric quorum systems as a generalization of Byzantine quorum systems, where every process is free to choose which other processes to trust and which not; this results in a subjective, asymmetric trust assumption. Consensus is arguably one of the most important notions in distributed computing and also relevant for practical systems. This work shows how to realize consensus protocols with asymmetric trust. A first protocol works in partially synchronous systems; it generalizes the consensus algorithm underlying PBFT and uses digital signatures. A second protocol is asynchronous, uses no cryptographic signatures, and achieves optimal resilience. Randomization is provided through a common coin primitive with asymmetric trust. The resulting protocols can find application also in other domains.

研究动机与目标

• 为解决传统拜占庭法定人数系统中对称信任假设的局限性，特别是在现代区块链系统中需要灵活信任模型的需求。
• 设计支持主观、非对称信任的共识协议，使得每个进程可独立决定信任对象。
• 在异步系统中实现最优弹性，且不依赖数字签名。
• 为非对称信任下的共识提供正式框架，推广现有拜占庭法定人数系统。

提出的方法

• 设计一种部分同步共识协议，通过使用数字签名扩展PBFT算法，以处理非对称法定人数选择。
• 引入一种具有非对称信任的公共硬币原原子，以在异步协议中实现随机化。
• 采用非对称法定人数系统，其中每个进程根据主观信任独立选择其法定人数集合，推广传统拜占庭法定人数系统。
• 构建一种无签名的异步共识协议，通过利用具有非对称信任的公共硬币实现最优弹性。
• 使用密码原原子（数字签名和公共硬币）确保在非对称信任假设下的安全性和活性。
• 证明两种协议在各自系统模型（部分同步和异步）下的正确性及弹性边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 在信任为主观且非对称的分布式系统中，如何实现共识，而非所有进程间均对称信任？
• RQ2 能否设计一种使用数字签名的部分同步共识协议，将PBFT推广至非对称法定人数系统？
• RQ3 在非对称信任假设下，是否可能在无数字签名的异步系统中实现最优弹性？
• RQ4 在具有非对称信任的异步环境中，如何实现随机化？何种原原子支持此功能？
• RQ5 与传统拜占庭法定人数系统相比，非对称法定人数系统下的共识协议在弹性与正确性保证方面有何表现？

主要发现

• 部分同步协议将PBFT推广至非对称法定人数系统，在部分同步网络与数字签名假设下确保安全性和活性。
• 异步协议在不使用数字签名的情况下实现最优弹性（最多容忍 t < n/3 个故障），其依赖于具有非对称信任的公共硬币原原子。
• 公共硬币原原子被设计为在非对称信任下支持随机化，从而在异步模型中实现活性。
• 两种协议在其各自系统模型下均经过形式化证明正确，其弹性边界与拜占庭容错的理论极限一致。
• 该方法可实际部署于需要灵活、主观信任模型的区块链和分布式系统中。
• 本工作表明，只要结合适当的密码原原子（如公共硬币和签名），非对称信任不会损害弹性或正确性。