[论文解读] Federated Byzantine Quorum Systems (Extended Version)

Álvaro García-Pérez, Alexey Gotsman|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2018

Distributed systems and fault tolerance参考文献 5被引用 4

一句话总结

本文形式化了联邦拜占庭法定人数系统（FBQS），这是一种在Stellar和Ripple等区块链中使用的新型共识模型，其中节点独立选择其信任的对等节点以形成法定人数。即使节点谎报其信任选择，本文也证明了广播抽象在拜占庭故障下的正确性，从而建立了一种新型拜占庭法定人数系统变体，其特点是各节点对法定人数的理解存在差异。

ABSTRACT

Some of the recent blockchain proposals, such as Stellar and Ripple, use quorum-like structures typical for Byzantine consensus while allowing for open membership. This is achieved by constructing quorums in a decentralised way: each participant independently chooses whom to trust, and quorums arise from these individual decisions. Unfortunately, the theoretical foundations underlying such blockchains have not been thoroughly investigated. To close this gap, in this paper we study decentralised quorum construction by means of federated Byzantine quorum systems, used by Stellar. We rigorously prove the correctness of basic broadcast abstractions over federated quorum systems and establish their relationship to the classical Byzantine quorum systems. In particular, we prove correctness in the realistic setting where Byzantine nodes may lie about their trust choices. We show that this setting leads to a novel variant of Byzantine quorum systems where different nodes may have different understanding of what constitutes a quorum.

研究动机与目标

• 为Stellar和Ripple等开放、去中心化的区块链中的基于法定人数的共识建立严格的理论基础。
• 分析在拜占庭行为下，联邦法定人数系统中基本广播抽象的正确性。
• 研究拜占庭节点谎报其信任关系对法定人数有效性与系统安全性的影响。
• 形式化一种新型拜占庭法定人数系统变体，其中不同节点可能对有效法定人数有不同看法。
• 弥合实际区块链设计与形式化分布式系统理论之间的鸿沟。

提出的方法

• 将法定人数系统建模为信任关系的联邦体系，其中每个节点选择其信任的一组对等节点。
• 将法定人数集定义为一组节点的集合，其联合信任可确保共识的安全性与活性。
• 引入法定人数交集性质的概念，确保任意两个法定人数至少共享一个共同节点。
• 证明即使拜占庭节点错误报告其信任集合，广播协议的正确性依然成立。
• 形式化一种新型拜占庭法定人数系统变体，其中由于信任选择的差异，法定人数有效性依赖于节点个体。
• 使用形式化验证技术，建立在对抗行为下的安全性与活性属性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在Stellar和Ripple中采用开放成员制的去中心化方式构建法定人数系统？
• RQ2 在拜占庭故障下，联邦法定人数系统中的广播协议能提供哪些形式化保证？
• RQ3 当假设拜占庭节点可能谎报其信任关系时，这对法定人数有效性和系统正确性有何影响？
• RQ4 联邦拜占庭法定人数系统与经典拜占庭法定人数系统之间存在何种形式化关系？
• RQ5 当不同节点对构成法定人数的定义不同时，能否实现一致且安全的共识模型？

主要发现

• 本文证明，即使拜占庭节点谎报其信任关系，基本广播抽象在联邦拜占庭法定人数系统中依然正确。
• 研究确立了所有法定人数集之间均存在交集，从而在对抗行为下仍能确保共识安全性。
• 作者形式化了一种新型拜占庭法定人数系统变体，其中法定人数有效性并非全局统一，而是依赖于各节点的信任集合。
• 该模型支持开放成员制与去中心化的法定人数形成，使Stellar等系统能够实现实际部署。
• 该理论框架为推理现实世界联邦区块链协议中的安全性和活性提供了基础。
• 研究结果验证了Stellar和Ripple的设计选择，表明其法定人数机制在拜占庭条件下形式上是可靠的。