[论文解读] Efficient Synchronous Byzantine Consensus

Ittai Abraham, Srinivas Devadas+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2017

Distributed systems and fault tolerance参考文献 36被引用 48

一句话总结

该论文提出了一种新的同步拜占庭共识协议，实现了 $f < n/2$ 的容错能力，仅需 $2f+1$ 个副本，将状态机复制的摊销轮数复杂度降低至每决策3轮，拜占庭一致性协议的期望轮数为8轮。该协议利用同步性确保法定人数交集，并通过随机化领导者选举实现恒定的期望轮数，优于以往需要期望24轮的工作。

ABSTRACT

We present new protocols for Byzantine state machine replication and Byzantine agreement in the synchronous and authenticated setting. The celebrated PBFT state machine replication protocol tolerates $f$ Byzantine faults in an asynchronous setting using $3f+1$ replicas, and has since been studied or deployed by numerous works. In this work, we improve the Byzantine fault tolerance threshold to $n=2f+1$ by utilizing a relaxed synchrony assumption. We present a synchronous state machine replication protocol that commits a decision every 3 rounds in the common case. The key challenge is to ensure quorum intersection at one honest replica. Our solution is to rely on the synchrony assumption to form a post-commit quorum of size $2f+1$, which intersects at $f+1$ replicas with any pre-commit quorums of size $f+1$. Our protocol also solves synchronous authenticated Byzantine agreement in expected 8 rounds. The best previous solution (Katz and Koo, 2006) requires expected 24 rounds. Our protocols may be applied to build Byzantine fault tolerant systems or improve cryptographic protocols such as cryptocurrencies when synchrony can be assumed.

研究动机与目标

• 设计一种实用的拜占庭容错状态机复制协议，在同步环境下支持 $f < n/2$ 的拜占庭故障，优于PBFT的 $f < n/3$ 限制。
• 在同步且认证的环境下，降低拜占庭一致性的轮数复杂度，实现期望8轮，优于以往工作的24轮期望。
• 通过引入随机化领导者选举机制，确保在自适应敌手下仍能推进并终止，每轮中诚实领导者被选中的概率为 $1/2$。
• 通过利用有界延迟和时钟漂移实现时钟同步，使协议能够高效部署于现实世界系统（如加密货币和安全分布式服务）中。

提出的方法

• 协议采用四轮同步风格核心协议，包含状态、提议、提交和通知四个阶段，每个领导者收集并传播副本状态以推动共识。
• 通过依赖同步性形成大小为 $2f+1$ 的提交后法定人数，该法定人数与任何大小为 $f+1$ 的预提交法定人数在 $f+1$ 个诚实副本处相交，从而确保法定人数交集。
• 使用随机领导者预言机在提议轮之后选举领导者，即使面对自适应敌手，也能确保每轮迭代中诚实领导者被选中的概率为 $1/2$。
• 协议使用数字签名进行认证，并采用基于证书的机制：仅当被具有有效证书的领导者签名时，值才被接受。
• 对于拜占庭一致性，协议应用经典变换：各方并行使用核心协议广播其输入值，随后所有诚实方在共享向量中就最频繁的值达成一致。
• 引入一种简单的时钟同步协议，从有界消息延迟和有界时钟漂移中启动锁步同步，避免依赖外部时间源。

实验结果

研究问题

• RQ1 在同步且认证的环境下，能否使用少于24轮的期望轮数实现 $f < n/2$ 容错的拜占庭一致性？
• RQ2 在不依赖PBFT中使用的 $3f+1$ 个副本的情况下，如何在拜占庭环境中保证法定人数交集？
• RQ3 在同步环境下，拜占庭一致性能达到的最小轮数复杂度是多少？能否将其减少到恒定的期望轮数？
• RQ4 如何设计领导者选举机制，使其在确保推进的同时对自适应敌手保持弹性？
• RQ5 能否在同步环境下构建一种状态机复制协议，使得每决策的摊销轮数仅为3轮，即使 $f$ 接近 $n/2$ 时也成立？

主要发现

• 协议仅使用 $2f+1$ 个副本即实现了 $f < n/2$ 的拜占庭容错，优于PBFT在异步环境下所需的 $3f+1$ 个副本。
• 在常见情况下，状态机复制协议每个槽位仅需3轮的摊销轮数即可提交决策，显著降低了延迟。
• 拜占庭一致性协议在期望8轮内终止，优于以往最佳的24轮期望。
• 即使指定发送方为拜占庭节点，协议仍能保证一致性和有效性，通过后续轮次中诚实领导者解决冲突。
• 通过在提议阶段后进行随机化领导者选举，协议每轮保持 $1/2$ 的诚实领导者被选中的概率，确保对自适应敌手的弹性。
• 协议适用于加密货币和安全分布式服务等现实系统，仅需有界消息延迟和时钟漂移即可实现同步，具有实际部署可行性。