[论文解读] Bolt-Dumbo Transformer: Asynchronous Consensus As Fast As the Pipelined BFT

Yuan Lu, Zhenliang Lu+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2021

Distributed systems and fault tolerance参考文献 69被引用 7

一句话总结

Bolt-Dumbo Transformer (BDT) 是一种新颖的乐观异步原子广播框架，结合了简单、快速的确定性快车道与基于二元共识而非重型多值拜占庭协议的高效节奏同步机制。该框架使 BDT 在良好网络条件下实现与 2-chain HotStuff 等确定性协议相当的低延迟性能，同时在对抗性或波动网络条件下仍保持稳健性和活性，性能媲美最先进的异步协议 Dumbo。

ABSTRACT

An urgent demand of deploying BFT consensus over the Internet is raised for implementing blockchain services. The deterministic (partial) synchronous protocols can be simple and fast in good network conditions, but are subject to denial-of-service when synchrony assumption fails. Asynchronous protocols, on the contrary, are robust against the adversarial network, but are substantially more complicated and slower for the inherent use of randomness. Facing the issues, optimistic asynchronous atomic broadcast ( Kursawe-Shoup, 2002; Ramasamy-Cachin, 2005) was proposed to improve the normal-case performance of the slow asynchronous consensus. They run a deterministic fastlane if the network condition remains good, and can fall back to a fully asynchronous protocol via a pace-synchronization mechanism if the fastlane fails. Unfortunately, existing pace-synchronization directly uses a heavy tool of asynchronous multi-valued validated Byzantine agreement (MVBA). We present Bolt-Dumbo Transformer (BDT), a generic framework for practical optimistic asynchronous atomic broadcast. At the core of BDT, we set forth a new fastlane abstraction that is simple and fast, while preparing honest parties to gracefully face potential fastlane failures caused by malicious leader or bad network. This enables a highly efficient pace-synchronization to handle fallback. The resulting design reduces a cumbersome MVBA to a variant of the conceptually simplest binary agreement only. Besides detailed security analyses, we also give concrete instantiations of our framework and implement them. Extensive experiments demonstrate that BDT can enjoy both the low latency of deterministic protocols (e.g. 2-chain version of HotStuff) and the robustness of state-of-the-art asynchronous protocols in practice.

研究动机与目标

• 为解决乐观异步 BFT 共识中的性能瓶颈问题，即在网络波动时回退至重型异步协议（如 MVBA）导致性能下降。
• 设计一种实用框架，在良好网络条件下维持低延迟性能，同时在对抗性或不稳定网络中确保活性与安全性。
• 通过用最小化的二元共识抽象替代多值拜占庭协议，降低乐观异步协议中节奏同步的复杂度。
• 实现一种通用、可组合且高效的乐观异步原子广播构造，结合快速确定性路径与稳健的回退机制。

提出的方法

• 引入一种新的快车道抽象，具有确定性、简洁性和高效性，使诚实参与方在良好网络条件下能快速推进。
• 提出两级回退机制：基于二元共识的轻量级节奏同步用于短期网络故障，以及用于长期故障的完整悲观路径。
• 将传统的基于重型 MVBA 的节奏同步机制替换为最小化的二元共识原语，显著降低回退延迟。
• 采用通用组合模式，将稳定领导者 2-chain HotStuff 快车道与 Dumbo 协议作为悲观回退路径相结合。
• 使用类似视图变更的机制并具备异步安全保证，确保当快车道因恶意领导者或网络延迟而失败时仍能保持活性。
• 基于 sCAST 原_primitive 实现该框架，并在包括短期与长期网络波动在内的真实网络条件下进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种实用的乐观异步 BFT 协议，在良好网络条件下保持低延迟性能，同时在对抗性或不稳定网络中保持稳健性？
• RQ2 能否将乐观 BFT 中的节奏同步机制从复杂的多值拜占庭协议简化为最小化的二元共识抽象，而不牺牲安全性？
• RQ3 在波动网络条件下，乐观 BFT 协议的回退性能开销是多少，能否将其最小化？
• RQ4 在多大程度上可以安全地将确定性快车道与异步回退路径结合，以同时实现高效性与鲁棒性？

主要发现

• 在良好网络条件下，BDT 的性能与 2-chain HotStuff 几乎无法区分，证实了其低延迟快车道行为。
• 在短期网络波动期间（例如 2 秒的故障期），BDT 在数秒内即可恢复并重新开始快速推进，避免了 MVBA 基础回退中出现的 25 秒延迟。
• 在长期恶劣网络条件下（例如 120 秒），BDT 的性能几乎与底层 Dumbo 协议保持一致，仅因高效的节奏同步引入了极小的额外开销。
• 与 MVBA 基础方法相比，在长期网络故障中，使用二元共识而非 MVBA 可将回退延迟减少超过 10 秒。
• 由于其形式化证明的异步安全属性，BDT 在所有网络条件下（包括对抗性消息调度）均保持安全性和活性。
• 该框架具有通用性和可组合性，可高效集成任意快速确定性 BFT 协议与任意稳健的异步回退协议。