[论文解读] Brief Announcement: Subquadratic Multivalued Asynchronous Byzantine Agreement WHP

Shir Cohen, Idit Keidar|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Distributed systems and fault tolerance被引用 2

一句话总结

该论文在高概率（WHP）下首次提出了异步模型中的亚二次多值拜占庭一致性协议，实现了 eO(n) 的通信复杂度。通过引入两委员会机制——初始委员会（init committee）与收敛委员会（converge committee）——该协议扩展了亚二次二值拜占庭一致性技术，利用法定人数证书（quorum certificates）与内容一致性上的二值共识，确保在拜占庭故障下具备弱一致性。

ABSTRACT

There have been several reductions from multivalued consensus to binary consensus over the past 20 years. To the best of our knowledge, none of them solved it for Byzantine asynchronous settings. In this paper, we close this gap. Moreover, we do so in subquadratic communication, using newly developed subquadratic binary Byzantine Agreement techniques.

研究动机与目标

• 填补异步系统中亚二次多值拜占庭一致性协议的空白，此前将多值问题约化为二值共识的方案在高概率保证下失效。
• 解决在多值设置中应用亚二次二值解决方案时，高概率论证因 O(log n) 个二值实例而崩溃的问题。
• 设计一种协议，在拜占庭故障下以高概率（WHP）保持亚二次通信复杂度，同时确保安全性和活性。
• 在大规模分布式系统（尤其是区块链）中实现实际可扩展性，其中多值共识对区块级事务一致性至关重要。
• 提供一种支持弱一致性有效性的解决方案，适用于权限制、基于 PKI 保护的环境，且可容忍最多 (1/3 − ϵ)n 个进程的自适应拜占庭故障。

提出的方法

• 基于可验证随机函数（VRFs）的随机委员会采样原原子，选举两个互不相交的委员会：初始委员会与收敛委员会。
• 初始委员会成员向所有进程广播签名的初始值，每个进程以高概率收集至少 W 条消息。
• 收敛委员会成员等待从 W 名初始委员会成员处接收消息；若所有值与其自身一致，则标记为“内容一致”并发送携带真实 'is_content' 标志的法定人数证书（QC）。
• 在警报标志上执行二值拜占庭一致性协议，若内容一致的收敛委员会成员少于 B+1 个，则该标志设为 true，其中 B 是委员会中拜占庭进程的上界。
• 若二值共识输出 true，则所有正确进程决定为 ⊥；否则，它们决定为内容一致进程中 QC 所携带的值 v，该值在正确进程中保证一致。
• 利用两个大小为 W 的委员会之间的交集特性，确保至少一个正确进程同时存在于两个委员会中，从而实现正确值的最终传递。

实验结果

研究问题

• RQ1 亚二次二值拜占庭一致性技术能否扩展至在高概率下支持异步模型中的多值拜占庭一致性？
• RQ2 为何标准的二值到多值约化方法在亚二次异步拜占庭一致性协议中失效？
• RQ3 当将二值共识扩展至 O(log n) 个实例以处理多值输入时，如何保持高概率保证？
• RQ4 何种基于委员会的结构可实现亚二次通信复杂度，同时在拜占庭故障下确保安全性和活性？
• RQ5 能否在异步拜占庭一致性中实现弱一致性有效性，且保持亚二次通信复杂度？

主要发现

• 所提出的算法在异步模型中实现了多值拜占庭一致性的 eO(n) 通信复杂度，是首个此类解决方案。
• 该协议确保弱一致性有效性：若所有正确进程具有相同的输入值，则它们以高概率全部决定为该值。
• 该算法仅在任何二值拜占庭一致性协议基础上额外引入两个委员会，保持了高效性与模块化。
• 由于两个大小为 W 的委员会存在交集，高概率下的安全性和活性得以保持，确保至少一个正确进程存在于两个委员会中。
• 使用包含 W 个签名的法定人数证书（QCs）可确保正确进程之间的一致决策，即使在自适应拜占庭故障下亦成立。
• 该解决方案与现有亚二次二值拜占庭一致性协议向后兼容，可在异步系统中实现端到端的亚二次多值一致性。