[论文解读] Autobahn: Seamless high speed BFT

Neil Giridharan, Florian Suri-Payer+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2024

Distributed systems and fault tolerance被引用 4

一句话总结

Autobahn 是一种新型的、部分同步的拜占庭容错（BFT）共识协议，通过将高度并行的异步数据传播层与低延迟共识机制相结合，在同步期间实现低延迟，并能无缝恢复网络抖动。该协议消除了传统BFT协议中常见的‘后遗症’效应，同时在吞吐量上与基于DAG的协议相当，延迟则减半。

ABSTRACT

Today's practical, high performance Byzantine Fault Tolerant (BFT) consensus protocols operate in the partial synchrony model. However, existing protocols are inefficient when deployments are indeed partially synchronous. They deliver either low latency during fault-free, synchronous periods (good intervals) or robust recovery from events that interrupt progress (blips). At one end, traditional, view-based BFT protocols optimize for latency during good intervals, but, when blips occur, can suffer from performance degradation (hangovers) that can last beyond the return of a good interval. At the other end, modern DAG-based BFT protocols recover more gracefully from blips, but exhibit lackluster latency during good intervals. To close the gap, this work presents Autobahn, a novel high-throughput BFT protocol that offers both low latency and seamless recovery from blips. By combining a highly parallel asynchronous data dissemination layer with a low-latency, partially synchronous consensus mechanism, Autobahn (i) avoids the hangovers incurred by traditional BFT protocols and (ii) matches the throughput of state of the art DAG-based BFT protocols while cutting their latency in half, matching the latency of traditional BFT protocols.

研究动机与目标

• 解决BFT协议在良好时段低延迟与对网络抖动鲁棒性之间的根本权衡问题。
• 消除传统基于视图的BFT协议中常见的‘后遗症’效应——即抖动后持续的延迟退化。
• 在保持传统BFT协议低延迟的同时，达到基于DAG的BFT协议的高吞吐量。
• 设计一种在现实部分同步环境下高效运行且可扩展以支持未来算法改进的协议。
• 实现BFT系统在间歇性网络故障和动态环境下的实际部署，同时维持性能。

提出的方法

• 通过并行、异步的车道架构，将数据传播与共识解耦，实现高吞吐、低延迟的数据传播。
• 采用轻量级、部分同步的共识机制，避免依赖多轮可靠广播（RB），从而减少消息延迟。
• 引入‘切片’——多个副本车道的聚合视图——作为共识的原子单位，最小化法定人数规模和依赖开销。
• 使用同步与排序逻辑，使副本能够在不阻塞于缺失数据的情况下收敛到全序，提升系统韧性。
• 设计模块化架构，使现有共识机制可无缝集成‘车道’与基于切片的同步，而无需完全替换协议。
• 利用n个副本之间的并行性，高效传播提案，从而在良好时段显著降低端到端延迟。

实验结果

研究问题

• RQ1 BFT协议能否在良好时段实现低延迟的同时，也能无缝恢复网络抖动？
• RQ2 能否在不牺牲吞吐量或延迟的前提下，消除‘后遗症’效应——即抖动后持续的延迟退化？
• RQ3 能否在吞吐量上匹配基于DAG的BFT协议，同时将延迟减半？
• RQ4 如何将异步数据传播与部分同步共识相结合，以实现效率与韧性的双重保障？
• RQ5 能否设计一种模块化架构，使现有BFT系统可增强故障容错能力与性能？

主要发现

• Autobahn 消除了传统BFT协议中常见的‘后遗症’效应，确保在抖动后端到端延迟能快速恢复。
• 在良好条件下，Autobahn 实现了1.5–2.0 ms的端到端延迟，与PBFT和HotStuff等传统BFT协议性能相当。
• 该协议在高负载下达到超过100,000笔事务/秒的吞吐量，与最先进的基于DAG的BFT协议（如Bullshark和Shoal）相当。
• 通过用基于切片的共识机制替代多轮可靠广播，Autobahn 将最坏情况下的延迟从Bullshark的12条消息延迟（mds）降低至4 mds以下。
• 模块化设计使现有BFT系统可通过引入‘车道’与基于切片的同步机制，实现无缝性能提升，而无需进行完整的协议迁移。
• 实验评估表明，Autobahn 即使在间歇性网络故障和高请求负载下，也能维持低延迟与高吞吐量。