[论文解读] FnF-BFT: Exploring Performance Limits of BFT Protocols

Zeta Avarikioti, Lioba Heimbach+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 34被引用 4

一句话总结

FnF-BFT 是一种新型的并行领导者拜占庭容错（BFT）协议，通过允许多个副本同时提出请求，消除了单领导者瓶颈，实现了线性通信复杂度，并在拜占庭攻击下具备常数因子的性能弹性。其吞吐量最高可达 HotStuff 的 1.5 倍，尤其在大规模场景下表现更优，且在恶意故障下最佳吞吐量的理论下限为 16/27。

ABSTRACT

We introduce FnF-BFT, a parallel-leader byzantine fault-tolerant state-machine replication protocol for the partially synchronous model with theoretical performance bounds during synchrony. By allowing all replicas to act as leaders and propose requests independently, FnF-BFT parallelizes the execution of requests. Leader parallelization distributes the load over the entire network -- increasing throughput by overcoming the single-leader bottleneck. We further use historical data to ensure that well-performing replicas are in command. FnF-BFT's communication complexity is linear in the number of replicas during synchrony and thus competitive with state-of-the-art protocols. Finally, with FnF-BFT, we introduce a BFT protocol with performance guarantees in stable network conditions under truly byzantine attacks. A prototype implementation of \prot outperforms (state-of-the-art) HotStuff's throughput, especially as replicas increase, showcasing \prot's significantly improved scaling capabilities.

研究动机与目标

• 解决传统 BFT 协议因单领导者瓶颈导致的可扩展性限制。
• 设计一种在任意拜占庭行为下仍能保持高吞吐量和强安全保证的 BFT 协议。
• 明确定义并实现“拜占庭弹性性能”——即在恶意攻击下吞吐量的常数下限。
• 证明并行领导者执行可在不牺牲安全性或活性的情况下实现高效可扩展性。
• 提供一个原型实现，使其在真实环境中优于最先进的协议（如 HotStuff）。

提出的方法

• 提出一种并行领导者架构，使所有副本可独立提出请求，从而将负载分发至整个网络。
• 利用历史性能数据选择高性能副本作为领导者，提升效率与一致性。
• 采用 BLS 门限签名和基于水印的轮次机制，确保在部分同步模型下的安全性和活性。
• 分析 GST 之后的摊销认证器复杂度，表明通信复杂度为 O(n)，与 HotStuff 的效率相当。
• 基于 libhotstuff 实现原型，修改约 2000 行代码以支持并行领导者逻辑和 BLS 签名。
• 采用确定性、单线程实现，以在相同配置下与多线程 HotStuff 公平比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过消除单领导者瓶颈，BFT 协议能否实现高吞吐量和强容错能力？
• RQ2 在任意拜占庭行为下，BFT 协议的理论性能下限是多少？能否形式化保证？
• RQ3 在部分同步网络中，并行领导者执行如何影响通信复杂度与可扩展性？
• RQ4 BFT 协议能否在真实拜占庭攻击下维持高吞吐量，同时确保安全性和活性？
• RQ5 在实践中，并行领导者 BFT 协议与最先进的串行领导者协议（如 HotStuff）相比性能如何？

主要发现

• FnF-BFT 实现了 16/27 的拜占庭弹性性能比，意味着其在恶意攻击下的吞吐量至少为最佳情况吞吐量的 16/27。
• 该协议在部分同步模型下保持了 O(n) 的通信复杂度，使其在效率上可与最先进的协议（如 HotStuff）相媲美。
• 在原型评估中，FnF-BFT 的吞吐量至少比多线程 HotStuff 高 1.1 倍，比单线程 HotStuff 高 1.5 倍，且随着副本数量增加，优势更加显著。
• 两种协议的平均延迟表现相似，表明即使在最多 61 个副本的情况下，最终确定延迟也较低。
• 性能提升在大规模场景下最为明显，证明其在水平扩展方面优于 HotStuff。
• 实现结果表明，计算成本（认证器复杂度）是主要瓶颈，而 FnF-BFT 通过并行化有效管理了该瓶颈。