[論文レビュー] Bounds on Worst-Case Responsiveness for Agreement Algorithms

Ittai Abraham, Kartik Nayak|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 32被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、同期的認証モデルにおけるByzantine合意、ブロードキャスト、状態機械複製のための1∆-BA、1∆-BB、1∆-SMRプロトコルを提示し、最適なレジリエンス f < n/2 を達成しながら、ほぼ最適な良い状態の遅延 ∆ + 2δ を実現する。これらのプロトコルはロックステップ実行を回避し、実際の遅延 δ に基づく適応的タイミングを採用しており、先行研究の良い状態の遅延を 2∆ から ∆ + 2δ に短縮することで、2∆ が最適であるという仮説を反証する。

ABSTRACT

This paper investigates the problem good-case latency of Byzantine agreement, broadcast and state machine replication in the synchronous authenticated setting. The good-case latency measure captures the time it takes to reach agreement when all non-faulty parties have the same input (or in BB/SMR when the sender/leader is non-faulty) and all messages arrive instantaneously. Previous result implies a lower bound showing that any Byzantine agreement or broadcast protocol tolerating more than n/3 faults must have a good-case latency of at least Δ. Our first result is a matching tight upper bound for a family of protocols we call 1Δ. We propose a protocol 1Δ-BA that solves Byzantine agreement in the synchronous and authenticated setting with optimal good-case latency of Δ and optimal resilience f < n/2. We then extend our protocol and present 1Δ-BB and 1Δ-SMR for Byzantine fault tolerant broadcast and state machine replication, respectively, in the same setting and with the same optimal good-case latency of Δ and f < n/2 fault tolerance.

研究の動機と目的

• 固定ラウンド待ちを要するロックステップ Byzantine 合意プロトコルの実用的制限を解消するため。
• 実世界の BFT SMR システムにおいて、最悪ケース遅延よりも良い状態の遅延がより関連性の高い指標であると定義・最適化するため。
• 既知の ∆ の下界と、先行研究における Byzantine 合意およびブロードキャストの良い状態の遅延に対する 2∆ の上界との間のギャップを埋めるため。
• 移動性のあるリンク障害および移動性のあるスローガード故障を許容するより弱いモデルへとプロトコルを拡張し、ほぼ最適な良い状態の遅延を維持するため。

提案手法

• 十分なメッセージ受信が完了した段階ですぐに進行するロックステップでないプロトコルを設計し、固定ラウンドの遅延を回避する。
• 保守的バウンダリー ∆ と実際の遅延 δ を区別するタイミングモデルを導入し、適応的進行を可能にする。
• 認証通信としきい値署名を用いて、f < n/2 故障下でも一貫性を保証し、二義的発言（equivocation）を防止する。
• 中間のレプリカを介してメッセージをリレーやることで、1∆ アプローチを変更し、移動性のあるリンク障害を処理する。
• 追加の通信ラウンドを追加することで、移動性のあるスローガード故障を許容するようにプロトコルを拡張し、最悪ケース遅延にのみ影響を与え、良い状態の遅延に劣化をもたらさない。
• すべての想定モデルにおいて、敵対的戦略を想定した形式的解析により、レジリエンスと正しさを証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同期的認証モデル下で、Byzantine 合意およびブロードキャストプロトコルは、2∆ よりも良い状態の遅延を達成できるか？
• RQ2 f < n/2 故障を許容する Byzantine 合意において、∆ + 2δ が良い状態の遅延として最適か？
• RQ3 1∆ プロトコルファミリーは、良い状態の遅延に劣化をもたらさずに、移動性のあるリンク障害および移動性のあるスローガード故障を処理できるか？
• RQ4 ロックステップ実行が欠如している場合、ネットワーク遅延の存在下でプロトコルの性能と正しさにどのような影響を与えるか？
• RQ5 ∆（保守的バウンダリー）と δ（実際の遅延）を分離することのプロトコルの応答性への影響は何か？

主な発見

• 本稿では、f ≥ n/3 故障を許容する任意の Byzantine 合意またはブロードキャストプロトコルについて、良い状態の遅延に ∆ の下界を確立する。
• 提案された 1∆-BA プロトコルは、最適なレジリエンス f < n/2 を達成し、良い状態の遅延を ∆ + 2δ にまで短縮し、先行研究の 2∆ の上界を改善する。
• 1∆-BB および 1∆-SMR プロトコルは、同じ ∆ + 2δ の良い状態の遅延と f < n/2 のレジリエンスを継承し、ほぼ最適な SMR パフォーマンスを実現する。
• これらのプロトコルはロックステップではなく、メッセージ受信に基づいて進行するため、不要な待機を回避し、実用的な応答性が向上する。
• 通信複雑性はわずかに増加するが、良い状態の遅延に劣化をもたらさず、移動性のあるリンク障害および移動性のあるスローガード故障に対処できるように拡張可能である。
• 結果として、同期的認証モデル下で 2∆ が Byzantine プロトコルの良い状態の遅延として最適であるという仮説が反証された。