[论文解读] Aleph: Efficient Atomic Broadcast in Asynchronous Networks with Byzantine Nodes

Adam Gągol, Damian Leśniak+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 33被引用 6

一句话总结

本文提出 Aleph，一种新型的异步拜占庭容错（ABFT）协议，在存在拜占庭节点的异步网络中实现了恒定延迟的原子广播，相较于 HoneyBadgerBFT，消除了对可信密钥分发者的依赖，并将延迟从对数级降低至常数级。该协议引入了一种无信任的 ABFT 随机性信标，并通过一种新颖的警报系统抵御内存耗尽攻击。

ABSTRACT

The spectacular success of Bitcoin and Blockchain Technology in recent years has provided enough evidence that a widespread adoption of a common cryptocurrency system is not merely a distant vision, but a scenario that might come true in the near future. However, the presence of Bitcoin's obvious shortcomings such as excessive electricity consumption, unsatisfying transaction throughput, and large validation time (latency) makes it clear that a new, more efficient system is needed. We propose a protocol in which a set of nodes maintains and updates a linear ordering of transactions that are being submitted by users. Virtually every cryptocurrency system has such a protocol at its core, and it is the efficiency of this protocol that determines the overall throughput and latency of the system. We develop our protocol on the grounds of the well-established field of Asynchronous Byzantine Fault Tolerant (ABFT) systems. This allows us to formally reason about correctness, efficiency, and security in the strictest possible model, and thus convincingly prove the overall robustness of our solution. Our protocol improves upon the state-of-the-art HoneyBadgerBFT by Miller et al. by reducing the asymptotic latency while matching the optimal communication complexity. Furthermore, in contrast to the above, our protocol does not require a trusted dealer thanks to a novel implementation of a trustless ABFT Randomness Beacon.

研究动机与目标

• 设计一种适用于区块链系统的实用、高效 ABFT 协议，其在最严格的异步网络模型下仍能容忍拜占庭故障。
• 消除对可信密钥分发者的依赖，这是先前系统（如 HoneyBadgerBFT）的主要限制。
• 将原子广播的渐近延迟从对数级降低至常数级，与同步协议在乐观情况下的性能保持一致。
• 提供一个形式化、基于数学的安全部署模型，确保在对抗性网络条件下仍能保持正确性与鲁棒性。
• 引入一种无信任、符合 ABFT 要求的随机性信标，以供去中心化系统使用。

提出的方法

• 该协议采用基于有向无环图（DAG）的结构，节点通过创建具有多个父节点的单元来实现高效且具备弹性的共识。
• 采用一种新颖的无信任 ABFT 随机性信标，以在无可信方参与的情况下生成不可预测且共有的随机性。
• 采用两层架构，将网络通信与共识逻辑分离，提升清晰度与模块化程度。
• 引入一种警报系统，通过监控过多分叉单元的出现，检测并缓解内存耗尽攻击。
• 通过本地检查与全局一致性确保协议的正确性，即使在对抗性延迟和节点合谋条件下亦成立。
• 采用 G-BFT（广义拜占庭容错）框架的变体，以实现最优通信复杂度与恒定延迟验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种实用的 ABFT 协议，在异步网络中实现恒定延迟的原子广播？
• RQ2 如何在不依赖可信密钥分发者的情况下，构建一种无信任、符合 ABFT 要求的随机性信标？
• RQ3 在基于 DAG 的共识协议中，应采用何种机制防止内存耗尽攻击？
• RQ4 该协议能否在异步环境中保持安全性的同时，达到与同步协议在乐观情况下的性能表现？
• RQ5 如何在最严格的拜占庭容错模型下，形式化证明协议的正确性与安全性？

主要发现

• Aleph 实现了恒定延迟的原子广播，将延迟从 HoneyBadgerBFT 中的 O(log n) 降低至 O(1)，同时保持最优通信复杂度。
• 通过引入完全无信任的 ABFT 随机性信标，协议消除了对可信密钥分发者的依赖。
• 警报系统通过识别 DAG 单元中过度分叉的行为，有效检测并缓解了内存耗尽攻击。
• 该协议在异步网络中仍能实现与同步协议（如 PBFT）在乐观情况下的 3 轮验证时间一致的性能。
• 攻击模型表明，仅依赖本地验证的协议容易因分叉单元的指数级增长而耗尽诚实节点的资源。
• 形式化分析证实，Aleph 即使在任意消息延迟与节点故障条件下，也能确保交易的全序性。