[论文解读] Blockchain Is Dead, Long Live Blockchain! Accountable State Machine Replication for Longlasting Blockchain.

Alejandro Ranchal-Pedrosa, Vincent Gramoli|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 14被引用 8

一句话总结

该论文提出了LLB，这是首个长期持久的区块链系统，通过确定性地通过副本替换解决分歧，将共识容错能力提升至传统n/3拜占庭故障阈值以上。通过在新的副本集合中将恶意副本数从f ≥ n/3减少至f' < n'/3，LLB实现了长期共识安全性，并在性能上优于原始状态机复制，同时与可扩展区块链系统保持相当的性能水平。

ABSTRACT

The long-standing impossibility of reaching agreement restricts the lifespan of blockchains. In fact, the consensus on a block to be appended to any blockchain succeeds either with some probability or at the condition that two thirds of the $n$ replicas are not Byzantine. In the former case, the probability that the blockchain fails grows exponentially with the number of newly appended blocks. In the latter case, the blockchain fails as soon as a coalition bribes $f=n/3$ replicas. As a result, one may wonder whether blockchains are doomed to fail. In this paper, we answer this question in the negative by proposing the first Longlasting Blockchain system, \emph{LLB}. LLB builds upon the observation that blockchains are rarely subject to benign faults. As opposed to probabilistic blockchains, LLB solves consensus deterministically when $f<n/3$. As opposed to Byzantine fault tolerant blockchains, it resolves a series of disagreements by reducing eventually the number of deceitful replicas from $n/3\leq f<2n/3$ to $f'<n'/3$ among a new set of $n'$ replicas. To demonstrate its effectiveness, we implement two coalition attacks and a zero loss payment application that forces replicas that misbehave to reimburse conflicting transactions. Finally, LLB outperforms the raw state machine replication at the heart of Facebook's Libra and achieves performance comparable to a scalable blockchain that cannot tolerate $n/3$ failures.

研究动机与目标

• 为解决区块链系统在超过n/3副本变为拜占庭时失效的根本性局限，该问题会损害系统的长期持久性。
• 克服概率性区块链中指数级失败风险的问题，因为共识成功依赖于概率性保证。
• 设计一种确定性共识机制，即使在f ≥ n/3个副本被攻破的情况下，也能通过支持动态副本集合更新来维持区块链完整性。
• 通过确保行为不当的副本赔偿冲突交易，实现问责机制，从而遏制共谋行为。
• 通过一种新颖的状态机复制方法，在容忍超过n/3故障的同时，实现与可扩展区块链相当的性能。

提出的方法

• LLB使用确定性共识机制，当f < n/3时，确保立即且最终达成一致，无需依赖概率收敛。
• 当f ≥ n/3时，LLB触发副本替换协议，形成一个新的、更小的副本集合n'，使得f' < n'/3，从而恢复共识安全性。
• 系统采用分歧解决机制，通过密码学问责与交易赔偿协议，识别并隔离欺骗性副本。
• LLB集成了一项零损失支付应用，强制行为不当的副本赔偿冲突交易，从而增强对共谋行为的经济抑制力。
• 协议利用可问责状态机复制（ASMR），确保任何错误的状态转换均可被密码学追踪并施加惩罚。
• LLB的架构基于改进的状态机复制模型，支持动态重新配置与故障检测，使系统在对抗性条件下实现长期运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 区块链系统能否在超过传统n/3拜占庭故障阈值的情况下维持共识安全性？
• RQ2 在f ≥ n/3个副本为拜占庭的情况下，是否可能在区块链中实现确定性共识？
• RQ3 区块链系统如何通过副本替换动态减少恶意副本数量，以确保长期持久性？
• RQ4 哪些机制可以强制对行为不当副本实施问责与经济处罚，以遏制共谋？
• RQ5 区块链系统能否在容忍超过n/3故障的同时，实现与可扩展区块链相当的性能？

主要发现

• LLB通过用新的副本集合（其中f' < n'/3）替换原始副本集合，成功解决了因f ≥ n/3个拜占庭副本导致的共识失败，恢复了安全性。
• 系统在f < n/3时实现了确定性共识，消除了概率性区块链固有的指数级失败风险。
• 在对抗性条件下，LLB在共识延迟与吞吐量方面优于原始状态机复制（如Facebook的Libra所采用的方案）。
• LLB实现了与无法容忍f ≥ n/3故障的可扩展区块链相当的性能，证明了其实际效率。
• 零损失支付应用成功迫使行为不当的副本赔偿冲突交易，证明了经济问责的可行性。
• 对两种共谋攻击的实现验证了LLB能够检测并缓解共谋行为，在真实对抗性工作负载下保持系统完整性。