[论文解读] Hot-Stuff the Linear, Optimal-Resilience, One-Message BFT Devil.

Ittai Abraham, Guy Golan Gueta+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2018

Distributed systems and fault tolerance被引用 33

一句话总结

Hot-Stuff 是一种针对 $ n = 3f+1 $ 副本的拜占庭容错（BFT）共识协议，每轮通信复杂度为线性，总通信成本降低至 $ O(n^2) $，同时保持对 $ f $ 个拜占庭故障的最优容错能力。该协议仅使用一种消息类型，设计简洁，确保在异步环境下安全，在同步环境下可进展。

ABSTRACT

We describe a protocol called `Hot-Stuff the Linear, Optimal-Resilience, One-Message BFT Devil' (in short, Hot-Stuff) for $n = 3f+1$ replicas, of which $2f+1$ are honest, to agree on a replicated, ever-changing state. The protocol is always safe against a threshold $f$ of Byzantine failures, even when the system is asynchronous. Progress is guaranteed under periods of synchrony. The per-round communication cost in Hot-Stuff is linear, hence $O(n^2)$ overall cost to a decision during periods of synchrony, an improvement of $O(n^2)$ over previous asynchronous BFT protocols. Hot-Stuff uses one type of message exchange, and is succinctly described in under twenty lines of pseudo-code.

研究动机与目标

• 设计一种 BFT 共识协议，使 $ n = 3f+1 $ 副本的系统在容忍 $ f $ 个拜占庭故障时达到最优容错能力。
• 通过实现每轮通信复杂度为线性，将之前异步 BFT 协议的每轮通信成本降低。
• 即使在长时间异步环境下，也能确保安全，维持对抗性条件下的一致性。
• 通过仅使用一种消息交换类型，简化协议设计，实现简洁的实现。

提出的方法

• 协议采用基于视图的机制，由主副本提议区块，并通过法定人数投票达成共识。
• 采用两阶段投票机制：预准备和准备阶段，每轮仅使用一种消息以减少通信开销。
• 协议基于 $ 2f+1 $ 个已预准备和已准备的投票，构建法定人数证书，形成有效决策。
• 通过使用序列号递增的已准备区块链，维护活性并防止分叉。
• 设计确保每个视图中仅能提交一个区块，防止冲突行为，保障安全性。
• 协议在异步环境下被形式化证明安全，在同步环境下可进展，且消息交换最少。

实验结果

研究问题

• RQ1 BFT 协议能否在保持最优容错能力的同时，实现每轮线性通信复杂度？
• RQ2 能否使用单一消息交换模式，在拜占庭环境中同时实现安全性和活性？
• RQ3 BFT 协议能否在无限期异步环境下确保安全，仅在同步环境下保证进展？
• RQ4 能否设计一种 BFT 协议，既简洁又可通过最小代码实现形式化验证？

主要发现

• 在同步期间，Hot-Stuff 的总通信成本为 $ O(n^2) $，相比之前协议提升了 $ O(n^2) $ 个数量级。
• 即使在缺乏同步的环境中，协议也能抵御 $ f $ 个拜占庭故障，维持对抗性条件下的一致性。
• 当系统进入同步周期时，可保证进展，确保在有利条件下的活性。
• 协议仅使用一种消息类型，可在二十行以内的伪代码中实现简洁实现。
• 协议设计可形式化验证，依赖于法定人数保护的区块链，防止分叉并确保一致性。