[论文解读] Brief Announcement: Let It TEE: Asynchronous Byzantine Atomic Broadcast with n ≥ 2f+1

Marc Leinweber, Hannes Hartenstein|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Distributed systems and fault tolerance被引用 2

一句话总结

本文提出 TEE-Rider，一种新颖的异步 Byzantine 原子广播（ABAB）协议，通过将可信执行环境（TEE）与 DAG-Rider 框架结合，实现了 n ≥ 2f+1 的容错能力。该协议利用 TEE 提供的唯一序列标识符（USIG）实现单次回声可靠广播，并将法定人数阈值调整为 ⌊n/2⌋+1，从而在保持 DAG-Rider 简洁性的同时，仅以恒定的消息大小开销实现了完整的 Byzantine 容错能力。

ABSTRACT

Asynchronous Byzantine Atomic Broadcast (ABAB) promises simplicity in implementation as well as increased performance and robustness in comparison to partially synchronous approaches. We adapt the recently proposed DAG-Rider approach to achieve ABAB with $n\geq 2f+1$ processes, of which $f$ are faulty, with only a constant increase in message size. We leverage a small Trusted Execution Environment (TEE) that provides a unique sequential identifier generator (USIG) to implement Reliable Broadcast with $n>f$ processes and show that the quorum-critical proofs still hold when adapting the quorum size to $\lfloor \frac{n}{2} floor + 1$. This first USIG-based ABAB preserves the simplicity of DAG-Rider and serves as starting point for further research on TEE-based ABAB.

研究动机与目标

• 设计一种简单、高效且鲁棒的 ABAB 协议，支持 n ≥ 2f+1 个进程的 Byzantine 故障。
• 与传统部分同步 BFT 协议（如 PBFT）相比，降低通信复杂度。
• 仅通过恒定大小的 TEE 扩展，在异步环境中实现完全容错。
• 在增强 TEE 原原子语义的同时，保留 DAG-Rider 的结构简洁性。
• 证明 DAG-Rider 中基于法定人数的正确性论证在 TEE 增强的可靠广播下，且法定人数规模减小后依然有效。

提出的方法

• 通过用基于 TEE 的 USIG 驱动的单次回声可靠广播替代 DAG-Rider 协议中的双次回声可靠广播，适配 DAG-Rider 协议。
• 利用 USIG 为每条消息生成唯一、经密码学签名的序列标识符，确保完整性并防止等价性攻击。
• 将法定人数要求从 2f+1 修改为 ⌊n/2⌋+1，以匹配新的可靠广播语义，同时保持正确性。
• 保留 DAG-Rider 的核心 DAG 结构和基于路径的承诺逻辑，仅替换底层的可靠广播原原子。
• 引入基于波的决策机制，使用公共随机数选择波领导者并触发最终化。
• 在 DAG 中使用强路径和弱路径传播承诺，确保正确进程间实现全序交付。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过基于 TEE 的可靠广播原原子，将 DAG-Rider 协议适配以实现 n ≥ 2f+1 的 Byzantine 容错？
• RQ2 在使用 TEE 增强的可靠广播时，将法定人数规模从 2f+1 减少到 ⌊n/2⌋+1，是否仍能保持 ABAB 协议的正确性和活性？
• RQ3 基于 TEE 的方法能否在保持 DAG-Rider 的简洁性和低通信开销的同时，实现在异步环境下的完整 Byzantine 容错？
• RQ4 在新的法定人数规模和 TEE 增强的可靠广播下，基于法定人数的全序交付论证是否仍然有效？
• RQ5 该协议能否仅通过恒定大小的消息开销（如计数器和签名）实现，同时确保安全性和活性？

主要发现

• TEE-Rider 协议成功实现了 n ≥ 2f+1 进程的异步 Byzantine 原子广播，将 DAG-Rider 的适用范围扩展至原始 f < n/2 的限制之外。
• 协议的消息复杂度与 DAG-Rider 保持一致，仅因 USIG 引入了每条消息恒定大小的增加（计数器和签名）。
• DAG-Rider 中基于法定人数的正确性论证在新的法定人数规模 ⌊n/2⌋+1 下依然成立，确保了协议的一致性与全序性。
• 采用基于 TEE 的单次回声可靠广播，消除了对双次回声机制的需求，降低了通信开销并简化了实现。
• 该协议表明，TEE 可用于以最小改动和恒定开销，将现有部分同步协议升级为完全异步的 Byzantine 容错协议。
• 该设计为未来基于 TEE 的 ABAB 协议研究（特别是在无密钥分发和异步环境）提供了基础蓝图。