[论文解读] Analysis of the XRP Ledger Consensus Protocol

Brad Chase, Ethan MacBrough|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2018

Distributed systems and fault tolerance参考文献 5被引用 105

一句话总结

论文分析了 XRP Ledger Consensus Protocol，推导了安全性与活跃性所需的 UNL 重叠条件，并对先前估计之间的重叠界限进行了更正，指出在一般容错模型下的界限更严格（>90%），并引入 Cobalt 作为更灵活的替代方案。

ABSTRACT

The XRP Ledger Consensus Protocol is a previously developed consensus protocol powering the XRP Ledger. It is a low-latency Byzantine agreement protocol, capable of reaching consensus without full agreement on which nodes are members of the network. We present a detailed explanation of the algorithm and derive conditions for its safety and liveness.

研究动机与目标

• 澄清 XRP LCP 网络模型和部分 UNL 重叠下共识的问题。
• 推导基于 UNL 重叠的必要安全性（一致性）与活跃性（推进）条件。
• 在拜占庭容错模型下，为 UNL 之间的重叠提供修正的界限。
• 评估 XRP LCP 在当前网络状态下的安全性与推进性，以及向 Cobalt 的过渡计划。

提出的方法

• 将 XRP LCP 正式化为基于每节点 UNL 的拜占庭容错共识。
• 定义法定人数（q_i = ceil(0.8 n_i)）和容错上限（t_i ≤ n_i - q_i）。
• 将网络建模为弱异步并通过 UNL 的重叠界限分析安全性。
• 在部分参与下提出并分析安全性（无两名诚实节点对同一序列号的冲突账本的完全验证）与活跃性（前向推进）的概念。
• 给出证明与命题（如命题 1、引理 2、推论 3、命题 4）以确立基于重叠的安全性标准。
• 描述 Deliberation、Validation 与 Preferred Branch 组件及其如何协同达到共识。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 XRP LCP 中，诚实节点之间的 UNL 重叠达到多少才能保证安全性（同一序列号下无冲突账本）与活跃性（前向推进）？
• RQ2 以前的界限（大致 20% 与 ~41%）有何比较，且在拜占庭可问责性及更一般的容错模型下，修正后的重叠条件是什么？
• RQ3 网络异步与分区对安全性与推进性有何影响，XRP LCP 如何应对？
• RQ4 XRP LCP 的过渡计划（例如过渡到 Cobalt）与重叠界限及安全性保证之间有何关系？
• RQ5 在实际部署中，哪些实际约束（如法定人数定义、延迟）会影响安全性与推进性？

主要发现

• 为部分 UNL 重叠下的安全性与活跃性建立了一个修正的单一重叠界限。
• 在拜占庭可问责性下，只要 UNL 重叠超过与 qi、qj（以及 ti,j）相关的界限，两个诚实节点就不能完全验证具有相同序列号的不同账本。
• 进入完全一般化的容错模型时，最小重叠界限上升（大致>90% 的 UNL）以确保安全性。
• 分析明确指出原始的 20%/41% 界限并非精确，给出涉及 UNL 交集、法定人数和容错界限的精确条件。
• 论文确认 XRP LCP 在当前状态下是安全的，同时向向 Cobalt 协议过渡，Cobalt 有望带来更低的重叠要求（并且提供前瞻性推进保证）。
• 与 Cobalt 的同级论文显示更低的重叠界限（>60%），且在最大容错下不出现停滞，凸显与 XRP LCP 的权衡。