[论文解读] Distributed Consensus Resilient to Both Crash Failures and Strategic Manipulations

Xiaohui Bei, Wei Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2012

Distributed systems and fault tolerance参考文献 18被引用 7

一句话总结

本文提出了首个在同步系统中对崩溃故障和理性参与者策略性操纵均具有容错能力的共识协议。它引入了一种容忍最多2名共谋者的确定性协议，以及一种容忍最多$ n-1 $名共谋者的随机化协议，利用抗共谋纳什均衡确保在操纵和故障情况下的稳定性。

ABSTRACT

In this paper, we study distributed consensus in synchronous systems subject to both unexpected crash failures and strategic manipulations by rational agents in the system. We adapt the concept of collusion-resistant Nash equilibrium to model protocols that are resilient to both crash failures and strategic manipulations of a group of colluding agents. For a system with $n$ distributed agents, we design a deterministic protocol that tolerates 2 colluding agents and a randomized protocol that tolerates $n - 1$ colluding agents, and both tolerate any number of failures. We also show that if colluders are allowed an extra communication round after each synchronous round, there is no protocol that can tolerate even 2 colluding agents and 1 crash failure.

研究动机与目标

• 填补故障容错共识中同时考虑崩溃故障与理性参与者策略性操纵的空白。
• 设计在参与者为谋取个人利益而共谋操纵结果时仍能保持稳定和一致的协议。
• 确保在意外崩溃故障和自私参与者故意操纵协议行为的情况下均具备弹性。
• 探索共谋者之间存在私密通信通道时系统的弹性极限。
• 确立在共谋容忍度和协议设计方面可实现性的理论边界。

提出的方法

• 将抗共谋纳什均衡的概念应用于建模对理性参与者协同操纵具有鲁棒性的协议。
• 设计一种确定性协议，可容忍最多2名共谋者以及任意数量的崩溃故障，采用基于轮次的决策机制。
• 设计一种随机化协议，通过引入随机化来防止可预测的操纵路径，从而容忍最多$ n-1 $名共谋者。
• 采用基于独裁者（dictator-based）的分析方法证明协议的弹性：在任何故障模式下，均能唯一识别出一个作为决策者的参与者。
• 通过证明不可能性结果，表明共谋者之间的私密通信可导致不可检测的操纵，使得在超过2名共谋者的情况下无法实现弹性。
• 通过在多轮中应用消息删除论证，证明任何允许共谋者之间存在私密通信的协议，均无法同时容忍2名或以上共谋者和1次崩溃故障。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以设计出对崩溃故障和理性参与者策略性操纵均具有容错能力的共识协议？
• RQ2 在存在崩溃故障的同步系统中，共识协议最多可容忍多少名共谋者？
• RQ3 是否可以通过随机化实现对$ n-1 $名共谋者的容错？
• RQ4 当共谋者拥有私密通信通道时，共识协议的根本限制是什么？
• RQ5 确定性协议是否能够容忍超过2名共谋者，同时保持对崩溃故障和策略性操纵的弹性？

主要发现

• 提出了一种确定性共识协议，可容忍最多2名共谋者以及任意数量的崩溃故障，通过结构化的基于轮次的决策过程实现弹性。
• 设计了一种随机化共识协议，可容忍最多$ n-1 $名共谋者，表明随机化可增强对策略性操纵的弹性。
• 本文证明，在共谋者之间存在私密通信的同步系统中，任何随机化协议都无法同时容忍2名或以上共谋者和1次崩溃故障。
• 证明了任何允许共谋者之间存在私密通信的协议，即使引入随机化，也无法对2名或以上共谋者保持弹性，原因在于不可检测的消息遗漏攻击。
• 通过分析关键轮次中的消息删除行为，建立了不可能性结果，表明共谋者可利用消息接收的不对称性来操纵独裁者结果。
• 所提出协议的轮次复杂度为$ 2f+2 $或$ 3f+4 $，高于标准仅处理崩溃故障协议的$ f+1 $复杂度，表明在策略性弹性方面存在权衡。