[论文解读] Fantom: A scalable framework for asynchronous distributed systems

Sang‐Min Choi, Jiho Park+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2018

Distributed systems and fault tolerance被引用 12

一句话总结

Fantom 提出了一种可扩展的、无领导者的异步分布式系统框架，基于 Lachesis 协议，采用基于有向无环图（DAG）的共识机制，结合 Lamport 时钟和支配关系，实现实用的拜占庭容错。它引入了如 n 行标志表等优化技术，以实现更快的根节点选择，并通过一致切片和公共知识语义形式化共识，实现高吞吐量、无需许可的参与，同时保证强一致性。

ABSTRACT

We describe \emph{Fantom}, a framework for asynchronous distributed systems. \emph{Fantom} is based on the Lachesis Protocol~\cite{lachesis01}, which uses asynchronous event transmission for practical Byzantine fault tolerance (pBFT) to create a leaderless, scalable, asynchronous Directed Acyclic Graph (DAG). We further optimize the \emph{Lachesis Protocol} by introducing a permission-less network for dynamic participation. Root selection cost is further optimized by the introduction of an n-row flag table, as well as optimizing path selection by introducing domination relationships. We propose an alternative framework for distributed ledgers, based on asynchronous partially ordered sets with logical time ordering instead of blockchains. This paper builds upon the original proposed family of \emph{Lachesis-class} consensus protocols. We formalize our proofs into a model that can be applied to abstract asynchronous distributed system.

研究动机与目标

• 设计一种可扩展的异步分布式系统框架，支持动态的、无需许可的参与。
• 通过支配关系实现的根节点选择和路径优化，增强 Lachesis 协议的效率。
• 使用一致切片和公共知识语义，形式化基于 DAG 的系统中的共识。
• 在通用的异步 DAG 模型中证明拜占庭容错，该模型可应用于区块链之外的场景。
• 用逻辑时间排序（通过 Lamport 时钟和 OPERA 链）替代基于区块链的排序。

提出的方法

• 该框架使用一种称为 OPERA 链的有向无环图（DAG）来表示事件块及其依赖关系。
• 每个节点创建引用先前事件的事件块，形成具有从左到右时间流动的偏序历史。
• Lamport 时钟用于建立网络中事件的拓扑排序。
• 图论中的支配关系用于识别有影响力的事件（如根节点、clothos、atropoi），以帮助确定共识。
• 引入 n 行标志表，通过高效跟踪祖先关系来加速根节点选择。
• 定义连续一致切片以建模全局系统状态，并支持检测共识事件（如分叉和 atropos）。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在基于 DAG 的共识协议中优化根节点选择，以实现可扩展性和高性能？
• RQ2 能否利用 DAG 中的支配关系高效识别共识关键事件（如根节点和 atropos）？
• RQ3 如何利用一致切片在异步分布式系统中形式化全局知识和共识？
• RQ4 可以为基于 DAG 的共识协议定义何种形式语义，以支持拜占庭容错的证明？
• RQ5 无需依赖区块链的无需许可、无领导者、异步共识框架能否实现实用的拜占庭容错？

主要发现

• n 行标志表通过高效跟踪 DAG 中的祖先关系，显著降低了根节点选择的计算开销。
• 支配关系的使用使得关键共识事件（如根节点和 atropos）的识别在可扩展性和准确性方面均得到优化。
• 一致切片使系统能够建模全局知识状态，并以高概率检测到如分叉和 atropos 等共识事件。
• 基于并发公共知识（CCK）的形式语义，使 Lachesis 协议的拜占庭容错性得以严格证明。
• 该框架在异步、无领导者、无需许可的环境中实现了实用的拜占庭容错（pBFT），并支持吞吐量随节点数量线性扩展。
• 该系统被形式化证明在最多存在三分之一的拜占庭节点时仍能保持安全性和活性，即使在对抗性条件下亦然。