[论文解读] Brief Announcement: Byzantine Consensus Under Dynamic Participation with a Well-Behaved Majority

Eli Gafni, Giuliano Losa|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Distributed systems and fault tolerance被引用 1

一句话总结

本文提出了迭代的、无限的认证拜占庭（IIAB）模型，用于研究在无权限、动态可用系统中存在拜占庭敌手时的确定性共识。本文提出了两种共识算法：一种采用概率领导者选举，确保确定性安全性和恒定的期望延迟；另一种采用不可撤销的伪装和最终稳定参与，确保在少于一半处理器被伪装的少数敌手模型下，具备确定性安全性和活性。

ABSTRACT

In a permissionless system like Ethereum, participation may fluctuate dynamically as some participants unpredictably go offline and some others come back online. In such an environment, traditional Byzantine fault-tolerant consensus algorithms may stall - even in the absence of failures - because they rely on the availability of fixed-sized quorums. The sleepy model formally captures the main requirements for solving consensus under dynamic participation, and several algorithms solve consensus with probabilistic safety in this model assuming that, at any time, more than half of the online participants are well behaved. However, whether safety can be ensured deterministically under these assumptions, especially with constant latency, remained an open question. Assuming a constant adversary, we answer in the positive by presenting a consensus algorithm that achieves deterministic safety and constant latency in expectation. In the full version of this paper, we also present a second algorithm which obtains both deterministic safety and liveness, but is likely only of theoretical interest because of its high round and message complexity. Both algorithms are striking in their simplicity.

研究动机与目标

• 为研究无权限、动态可用系统中存在拜占庭敌手时的共识，形式化一个数学上规则的模型。
• 探究在少数敌手模型下，此类系统中是否能够实现确定性安全性。
• 设计在动态参与和敌手伪装下确保安全性和活性的共识算法。
• 明确在参与未知且不断变化的模型中，确定性共识的可行性边界。

提出的方法

• 提出IIAB模型：一种同步的、基于轮次的系统，具有潜在无限的处理器，其中在线处理器可能被敌手伪装。
• 施加一种强消息认证机制，将消息与发送者和轮次绑定，防止跨轮次的重放或伪造。
• 设计一种共识算法，使用概率领导者选举预言机，以实现确定性安全性和恒定的期望延迟。
• 开发第二种算法，假设不可撤销的伪装和最终稳定参与，以实现确定性安全性和活性。
• 采用委员会机制，处理器通过认证消息验证成员资格，即使在不知道委员会规模的情况下也能达成共识。
• 将算法结构化为模块化设计，优先考虑清晰性和正确性而非效率，以支持教学和理论分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有伪装的动态可用、无权限共识系统中，能否在少数敌手模型下实现确定性安全性？
• RQ2 在参与未知且不断变化的系统中，实现确定性安全性和活性所需的最小假设是什么？
• RQ3 所提出的将消息与发送者和轮次绑定的消息认证机制，如何在自适应伪装存在的情况下实现安全性？
• RQ4 是否可以在不依赖最终稳定化或有界故障集的情况下，在IIAB模型中解决共识问题？
• RQ5 IIAB模型与先前模型（如沉睡模型或认证拜占庭模型）之间有何关系？

主要发现

• 本文提出了一种共识算法，在概率领导者选举预言机下，即使没有一个正常处理器在线超过一轮，也能实现确定性安全性和恒定的期望延迟。
• 第二种算法在不可撤销伪装和最终稳定参与的假设下，确保了确定性安全性和确定性活性。
• IIAB模型推广了静态沉睡模型的版本，并在进程集合有限且故障集固定时，包含了传统的认证拜占庭模型。
• 该模型实现了清晰的职责分离，使得即使在复杂的敌手行为下，也能实现简单、模块化且易于教学的共识算法。
• 结果表明，在IIAB模型中，即使没有最终稳定化，当故障比率小于1/2时，确定性共识仍是可行的，解决了该领域的一个开放问题。
• 该工作表明，将消息与发送者和轮次绑定的认证机制足以防止敌手在轮次间伪造消息，从而在无本地状态持久化的情况下实现安全性。