[论文解读] Asynchronous Reconfiguration with Byzantine Failures

П. Н. Кузнецов, Andrei Tonkikh|SPIRE - Sciences Po Institutional REpository|May 27, 2020

Distributed systems and fault tolerance被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于前向安全数字签名的拜占庭容错重新配置机制，用于异步复制系统，以确保在恶意副本和客户端存在的情况下仍能保持一致性与可用性。通过将重新配置与共识解耦，并利用可验证证明，该机制可防止脏读和拒绝服务攻击，实现无需可信管理员或配置全局排序的安全、动态重新配置。

ABSTRACT

Replicated services are inherently vulnerable to failures and security breaches. In a long-running system, it is, therefore, indispensable to maintain a reconfiguration mechanism that would replace faulty replicas with correct ones. An important challenge is to enable reconfiguration without affecting the availability and consistency of the replicated data: the clients should be able to get correct service even when the set of service replicas is being updated. In this paper, we address the problem of reconfiguration in the presence of Byzantine failures: faulty replicas or clients may arbitrarily deviate from their expected behavior. We describe a generic technique for building asynchronous and Byzantine fault-tolerant reconfigurable objects: clients can manipulate the object data and issue reconfiguration calls without reaching consensus on the current configuration. With the help of forward-secure digital signatures, our solution makes sure that superseded and possibly compromised configurations are harmless, that slow clients cannot be fooled into reading stale data, and that Byzantine clients cannot cause a denial of service by flooding the system with reconfiguration requests. Our approach is modular and based on dynamic Byzantine lattice agreement abstraction, and we discuss how to extend it to enable Byzantine fault-tolerant implementations of a large class of reconfigurable replicated services.

研究动机与目标

• 设计一种适用于异步复制服务的重新配置机制，使其在拜占庭故障下仍能保持可用性和一致性。
• 防止拜占庭客户端或受损副本引发的脏读和拒绝服务攻击。
• 消除对配置全局排序或可信管理员的依赖。
• 利用前向安全数字签名和可验证证明，实现安全、动态的重新配置。
• 为可重新配置复制服务的拜占庭容错实现提供模块化基础。

提出的方法

• 系统使用动态拜占庭格协议（DBLA）抽象作为重新配置协调的核心原 primitive。
• 客户端发出重新配置和数据操作请求，而无需对当前配置达成共识。
• 使用前向安全数字签名将配置更新绑定到时间有序、密码学可验证的证明。
• 每个进程维护一份本地配置历史记录，并使用前向安全密钥签署更新，以防止“我仍在此工作”和“慢速读取”攻击。
• 通过基于法定人数的签名构建可验证证明，确保仅接受正确进程发出的合法输出。
• 协议通过 VerifyOutputValue 函数将下层组件的输出链接起来，递归验证证明以维持完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在拜占庭故障下，如何在异步系统中实现重新配置的可用性与一致性？
• RQ2 如何防止拜占庭客户端或副本引发拒绝服务或脏数据读取？
• RQ3 是否可以不依赖配置的全局排序或可信管理员实现重新配置？
• RQ4 如何利用前向安全签名确保密钥泄露后的长期一致性？
• RQ5 构建模块化、拜占庭容错可重新配置服务所需的最小抽象集合是什么？

主要发现

• 由于使用了前向安全签名，被取代或受损的配置均无害。
• 慢速客户端无法被诱骗读取脏数据，因为证明与时间有序的配置密码学绑定。
• 拜占庭客户端无法通过泛洪攻击使系统拒绝服务，因为所有重新配置请求必须附带可验证证明。
• 系统在无需对当前配置达成共识的情况下实现重新配置，从而实现高可用性。
• 使用前向安全签名消除了对可信密钥管理或配置序列全局排序的需求。
• 该协议具有模块化特性，可扩展用于实现一大类在拜占庭故障下的可重新配置复制服务。