[论文解读] Cordial Miners: Fast and Efficient Consensus for Every Eventuality

Idit Keidar, Oded Naor+2 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2022

Distributed systems and fault tolerance被引用 6

一句话总结

Cordial Miners 提出了一类拜占庭原子广播协议家族，通过消除可靠广播（Reliable Broadcast）实现了比当前最先进的基于DAG的协议低近2倍的延迟。通过使用一种部分有序的数据结构——blocklace，该协议实现了快速传播、通过τ函数实现本地冲突排除，以及高效的排序，从而在最佳情况下实现O(n)的消息复杂度和3–4.5轮延迟。

ABSTRACT

Cordial Miners are a family of efficient Byzantine Atomic Broadcast protocols, with instances for asynchrony and eventual synchrony. They improve the latency of state-of-the-art DAG-based protocols by almost 2X and achieve optimal good-case complexity of O(n) by forgoing Reliable Broadcast as a building block. Rather, Cordial Miners use the blocklace -- a partially-ordered counterpart of the totally-ordered blockchain data structure -- to implement the three algorithmic components of consensus: Dissemination, equivocation-exclusion, and ordering.

研究动机与目标

• 设计一种拜占庭原子广播协议，以在许可的分布式系统中降低延迟和消息复杂度。
• 消除对可靠广播的需求，因为可靠广播会带来高延迟和O(n²)的消息复杂度。
• 在保持O(n²)最坏情况复杂度的同时，实现最优的O(n)最佳情况消息复杂度。
• 在异步和最终同步网络模型下支持高效通信，且通信开销最小。
• 实现高效且对称的共识，所有矿工执行相同角色，无需中心化领导者。

提出的方法

• 引入blocklace——一种部分有序的数据结构，允许存在冲突的区块，但在本地排序时排除这些冲突区块。
• 使用函数τ将blocklace转换为完全有序的区块序列，通过检测并排除冲突来实现。
• 采用基于波（wave-based）的协议，每一轮波由区块传播和超认证（super-ratification）阶段组成，用于最终确定区块。
• 依赖密码学签名防止伪造，并通过一致的区块排序确保安全性。
• 使用超时机制和超认证阈值（例如2f+1）检测并排除冲突矿工，而无需额外通信。
• 每区块批量处理交易，以摊销位复杂度，在最佳情况下实现每笔交易O(n)的成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以实现比依赖可靠广播的协议更低延迟的拜占庭共识？
• RQ2 是否可能在不使用可靠广播的情况下维持O(n)的最佳情况消息复杂度？
• RQ3 如何在不增加通信轮次的情况下高效排除冲突？
• RQ4 部分有序的blocklace数据结构是否能够在异步和最终同步模型下支持安全且活跃的共识？
• RQ5 在基于DAG的共识协议中，延迟、消息复杂度和容错能力之间的性能权衡是什么？

主要发现

• 异步版本的Cordial Miners将平均延迟从12轮降低至7.5轮，最佳情况延迟从8轮降低至5轮，相比DAG-Rider。
• 最终同步版本将平均延迟从9轮降低至4.5轮，最佳情况延迟从4轮降低至3轮，相比Bullshark。
• 当f ∈ O(1)且网络为同步时，Cordial Miners在最佳情况下实现了每笔交易O(n)的摊销消息复杂度。
• 协议保持了O(n²)的最坏情况消息复杂度，与拜占庭共识的下限一致。
• 通过放弃可靠广播，Cordial Miners避免了其2–5轮的延迟开销，同时仍确保安全性和活性。
• blocklace数据结构通过τ函数实现本地冲突排除，消除了对额外通信轮次的需求。