[论文解读] Blockmania: from Block DAGs to Consensus

George Danezis, Dave Hrycyszyn|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2018

Distributed systems and fault tolerance参考文献 4被引用 30

一句话总结

Blockmania 提出了一种无领导者拜占庭共识协议，该协议使用块有向无环图（DAG）作为通信基础架构，实现了高效、可终结的共识，最坏情况下的通信复杂度为 O(N²)。通过将块传播与共识解释解耦，该协议在广域网中实现了超过 400K 笔交易每秒的性能，同时在异步和部分同步环境下保证了安全性、活跃性和终结性。

ABSTRACT

Blockmania is a byzantine consensus protocol. Nodes emit blocks forming a directed acyclic graph (block DAG) that is subsequently interpreted by each node separately to ensure consensus with safety, liveness and finality. The resulting system has communication complexity $O(N^2)$ even in the worse case, and very low constant factors --- as compared to $O(N^4)$ for PBFT; it is leaderless; and network operations do not depend on the composition of the quorum or node stake. This makes Blockmania very efficient (leading to over 400K transactions per second on a wide area network), and ideal for dynamic membership and flexible and non-interrupted proof-of-stake protocols. A X-Blockmania variant, has $O(N)$ communication cost but also higher latency $O(\log N)$.

研究动机与目标

• 设计一种在动态、无领导者环境中运行高效、通信开销最小的拜占庭共识协议。
• 将块传播阶段（形成块 DAG）与共识解释阶段解耦，实现独立优化。
• 在异步和部分同步环境下，实现强安全性、活跃性和终结性保证，且不依赖领导者选举或复杂法定人数结构。
• 通过将权益分配和节点成员资格从共识逻辑中抽象化，支持灵活且非破坏性的权益证明协议。
• 在大规模部署中，特别是在广域网环境中，展示低延迟和高吞吐量的实际性能。

提出的方法

• 节点定期广播签名块，形成块 DAG，其中每个块通过加密哈希引用先前的块，并包含交易或对其他有效块的引用。
• 通过轻量级检查强制执行块有效性：签名验证、对有效前驱块的引用，以及对所有引用块的递归验证。
• 每个节点独立将接收到的 DAG 解释为一个拜占庭容错共识实例，将其映射到简化的 PBFT 风格协议，以达成对块顺序的共识。
• 协议基于费用的确定性块排序和委托权益证明法定人数系统，保障共识过程的安全性。
• 一种变体 X-Blockmania 通过使用分层结构和虚拟投票，将通信成本降低至 O(N)，但因解释过程导致 O(log N) 的延迟。
• 系统将网络操作（块传播）与共识逻辑分离，允许独立优化，并减少消息膨胀。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过简单、轻量的有效性规则形成的块 DAG 是否可以作为具备强安全性和终结性保证的拜占庭共识协议的基础？
• RQ2 当块传播与共识解释解耦时，共识的通信复杂度是多少？是否可以低于 PBFT 的 O(N⁴)？
• RQ3 在广域网中，特别是在对抗性条件下，如何实现低延迟和高吞吐量的无领导者共识？
• RQ4 块 DAG 构建与共识解释的分离是否能实现权益证明系统中更灵活和动态的成员资格与权益分配？
• RQ5 在此类设计中，通信效率（O(N²) 与 O(N)）与延迟（O(1) 与 O(log N)）之间的性能权衡是什么？

主要发现

• Blockmania 在广域网中实现了超过 400,000 笔交易每秒的性能，尽管具备拜占庭容错能力，仍展现出极高的实际吞吐量。
• 该协议在异步和部分同步环境下确保了安全性和活跃性，通过确定性地解释块 DAG 实现了终结性。
• 最坏情况下的通信复杂度被限制在 O(N²)，显著低于 PBFT 的 O(N⁴)，且常数因子小得多。
• X-Blockmania 变体通过使用分层虚拟投票将通信成本降低至 O(N)，但因解释过程导致 O(log N) 的延迟。
• 将块传播与共识解释解耦，使节点能够独立运行，无需在每条消息中携带共识元数据。
• 该协议对动态成员资格和权益重新配置具有弹性，因为共识逻辑不依赖于创建块时对节点身份或权益分配的了解。