[论文解读] Gosig: Scalable Byzantine Consensus on Adversarial Wide Area Network for Blockchains

Peilun Li, Guosai Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 36被引用 14

一句话总结

Gosig 是一种可扩展的拜占庭容错（BFT）共识协议，专为许可制区块链设计，结合基于密码学的秘密领导者选举、多轮投票以及基于gossip的消息传播机制，在自适应网络攻击下实现可证明的安全性与活性。其在140个节点的全球测试环境中，实现了每秒4,000笔交易的吞吐量，确认延迟低于1分钟，性能优于当前最先进的协议（如HoneyBadgerBFT），在吞吐量和延迟方面均表现更优。

ABSTRACT

Existing Byzantine fault tolerance (BFT) protocols face significant challenges in the consortium blockchain scenario. On the one hand, we can make little assumptions about the reliability and security of the underlying Internet. On the other hand, the applications on consortium blockchains demand a system as scalable as the Bit-coin but providing much higher performance, as well as provable safety. We present a new BFT protocol, Gosig, that combines crypto-based secret leader selection and multi-round voting in the protocol layer with implementation layer optimizations such as gossip-based message propagation. In particular, Gosig guarantees safety even in a network fully controlled by adversaries, while providing provable liveness with easy-to-achieve network connectivity assumption. On a wide area testbed consisting of 140 Amazon EC2 servers spanning 14 cities on five continents, we show that Gosig can achieve over 4,000 transactions per second with less than 1 minute transaction confirmation time.

研究动机与目标

• 为在对抗性广域网络环境下实现高性能、可证明安全的许可制区块链拜占庭共识提供解决方案。
• 通过消除长期领导者暴露，克服现有BFT协议在自适应领导者针对性攻击下的脆弱性。
• 设计一种协议，在部分同步环境下保持活性，且在完全对抗性网络控制下仍能保证安全性，即使面对数千个节点的规模。
• 实现在真实地理分布环境中高吞吐量、低延迟的实用化部署。

提出的方法

• 采用基于密码学的秘密领导者选举机制，防止攻击者提前预测或针对领导者。
• 使用多轮投票机制，并结合与顺序无关的签名聚合技术，以降低网络开销并提升可扩展性。
• 采用基于gossip的消息传播机制，利用网络冗余性，增强对节点故障和延迟的鲁棒性。
• 引入异步多签名验证机制，将签名收集与消息传播解耦，从而降低延迟。
• 基于部分同步网络假设，证明协议的活性，同时在任意网络故障下仍保持安全性。
• 将 max_block_size 和 round time T 作为可配置参数，以在吞吐量与延迟之间取得平衡，并支持根据系统负载进行自适应调优。

实验结果

研究问题

• RQ1 BFT协议是否能在网络行为完全受攻击者控制的广域网络中，实现可证明的安全性与活性？
• RQ2 如何消除领导者暴露，以防御大规模许可制区块链中的自适应DDoS攻击？
• RQ3 哪些协议层技术与实现优化的组合，能够实现大规模环境下的高吞吐量与低延迟？
• RQ4 基于gossip的通信机制与签名聚合技术，在大规模BFT共识中能在多大程度上减少网络开销？
• RQ5 Gosig在具有地理分布节点与部分网络故障的真实网络条件下表现如何？

主要发现

• 在横跨五大洲14座城市的140个节点广域测试环境中，Gosig实现了每秒4,000笔交易的吞吐量，平均交易确认延迟低于1分钟。
• 即使25%的节点发生故障，Gosig仍能保持每秒超过3,500笔交易的吞吐量，且延迟不变，展现出强大的容错能力。
• 在100个节点的配置下，Gosig的吞吐量是当前最先进的HoneyBadgerBFT协议的两倍，延迟降低80%，且具备相似的安全保障。
• 在仿真环境中，Gosig可扩展至10,000个节点，在真实网络条件下仍保持低延迟与高吞吐量。
• 当 max_block_size 超过4MB时，吞吐量达到4,000 TPS的饱和状态，表明在当前带宽与轮次时间设置下，系统已达到容量极限。
• 在140个节点的系统中，轮次时间T为40秒时可实现最大吞吐量；而更短的T值（如<30秒）会导致性能出现超线性下降，主要由于设置开销增加。