[论文解读] From Symmetric to Asymmetric Asynchronous Byzantine Consensus

Christian Cachin, Luca Zanolini|arXiv (Cornell University)|May 18, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 22被引用 2

一句话总结

本文提出首个具有非对称信任的最优异步拜占庭共识协议，通过修复 Mostefaoui 等人（PODC 2014）的标志性对称协议中的微妙活性缺陷，同时保持简洁性，实现了扩展。该工作引入非对称法定人数系统和一种通用随机数生成原原子，实现了恒定的期望运行时间与在动态、主观信任环境下的最优容错能力，适用于区块链系统。

ABSTRACT

Consensus is arguably one of the most important notions in distributed computing. Among asynchronous, randomized, and signature-free implementations, the protocols of Mostéfaoui et al. (PODC 2014 and JACM 2015) represent a landmark result, which has been extended later and taken up in practical systems. The protocols achieve optimal resilience and takes, in expectation, only a constant expected number of rounds of quadratic message complexity. Randomization is provided through a common-coin primitive. In traditional consensus protocols, all involved processes adhere to a global, symmetric failure model, typically only defined by bounds on the number of faulty processes. Motivated by applications to blockchains, however, more flexible trust assumptions have recently been considered. In particular, with asymmetric trust, a process is free to choose which other processes it trusts and which ones might collude against it. This paper revisits the optimal asynchronous protocol of Mostéfaoui et al. and shows how to realize it with asymmetric trust. The paper starts by pointing out in detail why some versions of this protocol may violate liveness. Then it proposes a fix for the protocol that does not affect its properties, but lets it regain the simplicity of its original version (PODC 2014). At the same time, the paper shows how to realize randomized signature-free asynchronous Byzantine consensus with asymmetric quorums. This results in an optimal consensus protocol with subjective, asymmetric trust and constant expected running time. It is suitable for applications to blockchains, for instance.

研究动机与目标

• 解决 Mostefaoui 等人（PODC 2014）原始对称共识协议中的活性漏洞，该漏洞可被攻击者通过控制消息排序来阻断进展。
• 将最优的、随机化的、无需签名的共识协议扩展至支持非对称信任模型，其中每个进程可独立选择其信任的对等节点。
• 形式化并实现一种共识协议，确保在非对称法定人数系统下保持恒定的期望运行时间与最优容错能力。
• 确立最大智慧进程组存在的条件，以确保在非对称信任环境下的终止性与一致性。

提出的方法

• 重新审视 Mostefaoui 等人（PODC 2014）原始协议，识别出由恶意消息排序引发的活性违规。
• 提出一种修复方案，在保持原始协议简洁性与高效性的同时，确保在恶意环境下的活性。
• 引入一种非对称通用随机数生成原原子，以在主观信任模型中实现随机化。
• 采用非对称二值验证广播（abv-broadcast），确保智慧进程间的一致性与有效性。
• 定义并利用“最大智慧组”概念——即构成核心的智慧进程子集，可保证终止性。
• 利用法定人数交集性质与 B3 条件，确保在非对称法定人数系统中的一致性与终止性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不牺牲简洁性或效率的前提下，形式化诊断并修复 Mostefaoui 等人（PODC 2014）原始共识协议中的活性缺陷？
• RQ2 能否将最优对称共识协议扩展以支持非对称信任，其中每个进程可选择自己的信任法定人数？
• RQ3 在非对称拜占庭法定人数系统中，哪些结构性条件（如“智慧组”的存在）是保证终止性的必要且充分条件？
• RQ4 如何将通用随机数生成原原子适配至非对称信任模型，以确保具有恒定期望运行时间的概率性终止？

主要发现

• 原始 Mostefaoui 等人（PODC 2014）协议存在活性缺陷，即使仅有常数个进程故障，攻击者通过控制消息排序亦可阻断协议进展。
• 提出一种修复方案，保持原始协议的简洁性与二次消息复杂度，同时恢复活性，使其适用于实际部署。
• 本文构建了首个具有非对称信任的最优异步拜占庭共识协议，实现了恒定的期望运行时间与最优容错能力。
• 该协议通过通用随机数生成原原子与最大智慧进程组的存在，保证以概率 1 实现概率性终止。
• 最大智慧进程组的存在既是终止性的必要条件也是充分条件，且在故障易发系统满足 B3 条件时，此类组必然存在。
• 所有智慧进程最终将 abv-交付相同值，并以概率 1 决定同一值，从而确保一致性与共识。