[论文解读] Dynamic Byzantine Reliable Broadcast

Rachid Guerraoui, Jovan Komatovic+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文提出了首个异步、确定性的动态拜占庭可靠广播（dbrb）原语，支持在拜占庭攻击环境下动态加入和退出进程。它确保：若任意正确进程广播消息，则所有未退出的正确进程最终都会交付该消息，即使在异步环境和动态成员关系下，且在超过2/3的进程正确的假设下依然成立。

ABSTRACT

Reliable broadcast is a communication primitive guaranteeing, intuitively, that all processes in a distributed system deliver the same set of messages. The reason why this primitive is appealing is twofold: (i) we can implement it deterministically in a completely asynchronous environment, unlike stronger primitives like consensus and total-order broadcast, and yet (ii) reliable broadcast is powerful enough to implement important applications like payment systems. The problem we tackle in this paper is that of dynamic reliable broadcast, i.e., enabling processes to join or leave the system. This property is desirable for long-lived applications (aiming to be highly available), yet has been precluded in previous asynchronous reliable broadcast protocols. We study this property in a general adversarial (i.e., Byzantine) environment. We introduce the first specification of a dynamic Byzantine reliable broadcast (DBRB) primitive that is amenable to an asynchronous implementation. We then present an algorithm implementing this specification in an asynchronous network. Our DBRB algorithm ensures that if any correct process in the system broadcasts a message, then every correct process delivers that message unless it leaves the system. Moreover, if a correct process delivers a message, then every correct process that has not expressed its will to leave the system delivers that message. We assume that more than $2/3$ of processes in the system are correct at all times, which is tight in our context. We also show that if only one process in the system can fail---and it can fail only by crashing---then it is impossible to implement a stronger primitive, ensuring that if any correct process in the system broadcasts or delivers a message, then every correct process in the system delivers that message---including those that leave.

研究动机与目标

• 解决现有异步拜占庭可靠广播协议中缺乏对动态成员关系（加入/退出）支持的问题。
• 设计一种可在异步系统中实现的动态拜占庭可靠广播（dbrb）规范。
• 确保强一致性保证——消息交付为全有或全无，且在正确进程中保持一致，即使在进程加入或退出时也成立。
• 证明在异步系统中，若存在动态成员关系和崩溃故障，则更强的性质（如强有效性或强全局性）无法实现。
• 提供一种确定性、异步的算法，使其在超过2/3的进程正确的假设下，满足dbrb的安全性和活跃性属性。

提出的方法

• 定义一种新的dbrb规范，允许进程在不依赖组成员关系或视图同步的情况下动态加入和退出。
• 使用从初始已知集合构建的一系列成员变更，确保始终有大多数正确进程就系统状态的演化达成一致。
• 维护一系列有效视图（vmr）和已安装视图（vinstalled），以追踪成员变更并确保正确进程间的一致性。
• 利用基于法定人数的机制，使大多数正确进程负责确保消息传递，即使发送者发生故障。
• 引入内部事件（如almostLeaveComplete和leaveComplete），以建模退出的符号化和原子化阶段，从而在不可能性证明中使用不可区分性论证。
• 在异步模型中使用不可区分性论证，证明在崩溃故障和动态成员关系下，更强变体（如强有效性或强全局性）无法实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种确定性、异步的拜占庭可靠广播协议，能够支持动态成员关系（进程加入和退出），同时保持安全性和活跃性？
• RQ2 此类动态dbrb协议在异步拜占庭环境中正确运行所需的最小假设（如多数正确）是什么？
• RQ3 是否可以强化dbrb原语，以保证所有正确进程（包括那些已退出的）都能交付任意正确进程广播的消息？
• RQ4 在存在崩溃故障的异步系统中，动态拜占庭可靠广播的根本限制是什么？
• RQ5 能否在最小故障假设下，为dbrb的更强变体（如强有效性或强全局性）建立不可能性结果？

主要发现

• 本文提出了首个异步、确定性的动态拜占庭可靠广播（dbrb）算法，支持进程加入和退出，同时保证安全性和活跃性。
• dbrb算法保证：若任意正确进程广播消息，则所有未退出系统的正确进程最终都会交付该消息。
• 若任意正确进程交付了某条消息，则所有在交付前未表达退出意图的正确进程也都会交付该消息。
• 该协议假设系统中始终有超过2/3的进程正确，且该界限对协议的正确性是紧致的。
• 本文证明，即使在最简化的崩溃故障模型（仅一个进程可崩溃）下，强动态拜占庭可靠广播（sdbrb）也无法在异步系统中实现。
• 通过不可区分性论证建立了不可能性结果：在某一运行中，来自崩溃发送者的消息被延迟至进程退出之后，导致该进程无法交付消息——从而违反强有效性或强全局性。