[论文解读] FastPay: High-Performance Byzantine Fault Tolerant Settlement

Mathieu Baudet, George Danezis+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 32被引用 7

一句话总结

FastPay 是一种高性能的拜占庭容错（BFT）结算系统，采用一致广播而非完整共识，实现跨大陆内确认延迟低于100毫秒，且在20个权威机构下每秒处理超过80,000笔交易。它通过分片权威机构实现无限制的水平可扩展性，并在拜占庭故障下仍保持安全性和活性，性能优于现有许可区块链和集中式RTGS系统。

ABSTRACT

FastPay allows a set of distributed authorities, some of which are Byzantine, to maintain a high-integrity and availability settlement system for pre-funded payments. It can be used to settle payments in a native unit of value (crypto-currency), or as a financial side-infrastructure to support retail payments in fiat currencies. FastPay is based on Byzantine Consistent Broadcast as its core primitive, foregoing the expenses of full atomic commit channels (consensus). The resulting system has low-latency for both confirmation and payment finality. Remarkably, each authority can be sharded across many machines to allow unbounded horizontal scalability. Our experiments demonstrate intra-continental confirmation latency of less than 100ms, making FastPay applicable to point of sale payments. In laboratory environments, we achieve over 80,000 transactions per second with 20 authorities---surpassing the requirements of current retail card payment networks, while significantly increasing their robustness.

研究动机与目标

• 设计一种高性能、拜占庭容错的结算系统，避免完整共识协议带来的延迟和可扩展性瓶颈。
• 实现预付款项的实时全额结算，具备低确认延迟和高吞吐量，适用于销售点（POS）应用。
• 通过权威机构分片实现水平扩展，同时不损害安全性或活性。
• 通过与外部系统集成，为原生加密货币和法币零售支付提供稳健、安全且高效的结算层。
• 证明一致广播在性能和弹性方面可优于共识方法，适用于支付系统。

提出的方法

• FastPay 以拜占庭一致广播（BCB）作为核心原 primitive，而非完整原子广播或共识，从而降低协调开销。
• 通过利用支付语义，实现对收款人账户的异步并发更新，减少共享状态，提升并发性。
• 每个权威机构在多台机器上分片部署，实现系统吞吐量的无限制水平扩展。
• 系统支持与外部主节点集成，以管理跨系统支付，实现与其他金融系统或区块链的互操作性。
• 安全性与活性在完全异步网络模型下形式化证明，即使在拜占庭故障下也成立，仅依赖 BCB 的性质。
• 通过由权威机构签名的证书实现可审计性，避免依赖顺序的区块链日志。

实验结果

研究问题

• RQ1 BFT 结算系统是否能在不依赖完整共识的情况下实现低于100毫秒的确认延迟和高吞吐量？
• RQ2 支付系统如何在支持通过分片实现水平扩展的同时，维持拜占庭故障下的安全性和活性？
• RQ3 一致广播能否作为高性能支付系统中替代共识的可靠原 primitive？
• RQ4 与现有基于共识或集中式系统相比，该系统在高负载和拜占庭故障下的表现如何？
• RQ5 在零售支付的去中心化结算层中，性能、可扩展性与安全性之间的权衡是什么？

主要发现

• FastPay 实现了低于100毫秒的跨大陆内确认延迟，适用于实时销售点支付。
• 在20个权威机构下，FastPay 在实验环境下每秒处理超过80,000笔交易，超过当前零售卡网络的峰值容量。
• 系统在高负载以及最多 f 个拜占庭故障（在 3f+1 个权威机构设置下）时仍保持性能和正确性。
• 实验中峰值吞吐量达到每秒160,000笔交易，证明其可扩展性超越现有许可区块链。
• FastPay 在吞吐量和延迟方面优于 HyperLedger Fabric、Libra、Corda，甚至优于 Tendermint。
• 系统在最多1/3的权威机构发生拜占庭故障时，仍保持安全性、活性和性能，而许多基于共识的系统则无法做到这一点。