[论文解读] Hierarchical Consensus: Scalability Through Optimism and Weak Liveness

Antonino, Pedro, Durand, Antoine+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2021

Distributed systems and fault tolerance参考文献 37被引用 9

一句话总结

Ditto 是一种拜占庭状态机复制协议，在正常（愉快）条件下实现最优的线性通信复杂度，在异步状态下实现最优的二次方复杂度，同时在存在网络故障和 DDoS 攻击时保证活性。它用异步回退机制替代了 HotStuff 的计时器，实现了在高效模式与鲁棒模式之间无缝、低开销的切换，且无渐近成本，实际性能优于 HotStuff 和 VABA。

ABSTRACT

Existing committee-based Byzantine state machine replication (SMR) protocols, typically deployed in production blockchains, face a clear trade-off: (1) they either achieve linear communication cost in the happy path, but sacrifice liveness during periods of asynchrony, or (2) they are robust (progress with probability one) but pay quadratic communication cost. We believe this trade-off is unwarranted since existing linear protocols still have asymptotic quadratic cost in the worst case. We design Ditto, a Byzantine SMR protocol that enjoys the best of both worlds: optimal communication on and off the happy path (linear and quadratic, respectively) and progress guarantee under asynchrony and DDoS attacks. We achieve this by replacing the view-synchronization of partially synchronous protocols with an asynchronous fallback mechanism at no extra asymptotic cost. Specifically, we start from HotStuff, a state-of-the-art linear protocol, and gradually build Ditto. As a separate contribution and an intermediate step, we design a 2-chain version of HotStuff, Jolteon, which leverages a quadratic view-change mechanism to reduce the latency of the standard 3-chain HotStuff. We implement and experimentally evaluate all our systems. Notably, Jolteon's commit latency outperforms HotStuff by 200-300ms with varying system size. Additionally, Ditto adapts to the network and provides better performance than Jolteon under faulty conditions and better performance than VABA (a state-of-the-art asynchronous protocol) under faultless conditions. This proves our case that breaking the robustness-efficiency trade-off is in the realm of practicality.

研究动机与目标

• 消除 BFT 一致性协议中效率与鲁棒性之间的权衡。
• 设计一种实用协议，在良好条件下保持线性通信成本，在异步状态下实现二次方成本。
• 在异步和 DDoS 攻击下保证活性，同时不牺牲性能。
• 在无额外渐近成本的前提下，将异步回退机制集成到线性通信协议中。
• 在保持鲁棒性的前提下，降低基于领导者的协议的区块提交延迟。

提出的方法

• 扩展 HotStuff，引入异步回退机制以替代其二次方计时器，实现在异步状态下的活性。
• 提出 Jolteon，一种 HotStuff 的双链变体，通过使用二次方视图变更机制将区块提交延迟降低 30%。
• 采用流水线设计，在正常和故障状态下均保持高吞吐量和低延迟。
• 使用门限签名和经过认证的消息交换以确保安全性和真实性。
• 利用多值二元一致协议（MVBA）作为回退机制，预期延迟为 R，以确保在异步状态下的进展。
• 设计一种混合一致性机制，可在快速（同步）和鲁棒（异步）路径之间无缝切换，且无额外轮次或通信开销。

实验结果

研究问题

• RQ1 BFT 一致性协议是否能在正常和异步状态下均实现最优通信复杂度，同时不牺牲活性？
• RQ2 是否可能在无额外渐近成本的前提下，将异步回退机制集成到线性通信协议中？
• RQ3 如何在保持对领导者故障和网络故障鲁棒性的前提下，降低基于领导者的协议的区块提交延迟？
• RQ4 混合一致性协议是否能在无故障和故障网络条件下，均优于最先进的线性与异步协议？
• RQ5 在生产级一致性系统中，用异步回退替代计时器的实际性能影响是什么？

主要发现

• Ditto 在愉快路径中实现线性通信成本，在异步状态下实现二次方成本，与两种情况下的理论最优值一致。
• Jolteon 在不同系统规模下相比 HotStuff 将区块提交延迟降低了 200–300ms。
• 在无故障条件下，Ditto 的性能与 Jolteon 相当，且吞吐量比 VABA 高出 50%。
• 在领导者 DDoS 攻击下，Ditto 的吞吐量比 HotStuff 和 Jolteon 高出 30–50%，后两者的吞吐量会降为零。
• 在最坏情况（异步）下，Ditto 的预期延迟为 E(13.5) 轮，使用 9.5 轮的 MVBA 回退机制，优于 BDT 的 45 轮回退。
• 实现结果证实，Ditto 实现了模式间无缝、低开销的切换，且无额外轮次或通信成本。