[论文解读] In Search for a Linear Byzantine Agreement.

Alexander Spiegelman|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 22被引用 9

一句话总结

本文提出了一种乐观的拜占庭协议，该协议首先使用确定性的同步算法在同步环境下实现高效的一致性，仅在异步性导致进展受阻时才回退到随机化的异步协议。通过仅在必要时才承担回退成本，该协议在所有网络条件下实现了最优通信复杂度，证明了以概率1终止，同时避免了传统方法固有的无界预GST通信成本。

ABSTRACT

The long-standing byzantine agreement problem gets more attention in recent years due to the increasing demand for scalable geo-replicated Byzantine state machine replication (SMR) systems (e.g., Blockchains). To date, the key bottleneck of such systems is the communication cost of the byzantine agreement they employ as a building block, which motivates many researchers to search for low-communication byzantine agreement protocols. The conventional approach is to design deterministic protocols in the eventually synchronous communication model that are optimized to reduce the communication cost after the global stabilization time (GST). In this paper, we challenge the conventional approach and argue it is not the best fit for scalable SMR systems since it might induce an unbounded communication cost during asynchronous periods before GST, which we prove to be inherent. Instead, we forgo eventual synchrony and propose a different approach that hopes for the best (synchrony) but prepares for the worst (asynchrony). Accordingly, we design an optimistic protocol that first tries to reach an agreement via an efficient deterministic algorithm that relies on synchrony for termination, and then, only if an agreement was not reached due to asynchrony, the protocol uses a randomized asynchronous algorithm for fallback that guarantees termination with probability $1$. Although randomized asynchronous algorithms are considered to be costly, we design our solution to pay this cost only when an equivalent cost has already been paid while unsuccessfully trying the synchronous protocol. Moreover, we formally prove that our protocol achieves optimal communication complexity under all network conditions and failure scenarios.

研究动机与目标

• 解决传统拜占庭一致性协议在异步期间存在的无界通信成本问题，该问题阻碍了地理复制SMR系统的可扩展性。
• 挑战仅针对GST后性能进行优化的确定性、最终同步协议的常规设计。
• 设计一种协议，假设同步以实现效率，但通过随机化回退机制在异步环境下保证终止。
• 在所有故障场景和网络条件下实现最优通信复杂度，包括同步和异步阶段。
• 确保随机化回退的成本仅在同步路径已失败时才被支付，从而避免冗余通信开销。

提出的方法

• 设计一种乐观协议，首先尝试使用依赖网络同步以实现终止的确定性同步算法。
• 引入基于随机化异步拜占庭一致性协议的回退机制，该机制保证以概率1终止。
• 确保仅当同步阶段因异步性而失败时才触发回退，避免不必要的使用更昂贵的随机化协议。
• 在所有网络条件下正式分析协议的通信成本，证明其达到最优复杂度。
• 通过仅在同步路径已失败时才支付随机化协议的成本，实现效率与鲁棒性的平衡，从而避免冗余通信开销。
• 使用形式化验证证明，无论故障模式或网络行为如何，协议均保持最优通信复杂度。

实验结果

研究问题

• RQ1 拜占庭一致性协议是否能在同步和异步网络条件下均实现最优通信复杂度？
• RQ2 是否可以设计一种协议，利用同步实现效率，但在异步环境下优雅降级为随机化异步回退机制，且不产生不必要的通信成本？
• RQ3 传统最终同步协议在预GST异步期间的固有通信成本是多少？该成本能否被界定或消除？
• RQ4 使用随机化异步回退是否会引入通信开销，而这种开销能否通过更智能的协议设计避免？
• RQ5 能否构建一种协议，使得回退成本仅在同步路径已失败时才被支付，从而确保成本效率？

主要发现

• 所提出的协议避免了传统最终同步协议在异步期间固有的无界通信成本。
• 该协议在所有网络条件下（包括同步和异步阶段）均实现了最优通信复杂度。
• 仅当同步阶段失败时才触发向随机化异步协议的回退，确保成本仅在必要时才被支付。
• 协议保证以概率1终止，即使存在拜占庭故障和长期异步性。
• 回退机制的通信成本不会过早支付，因为其仅在已为失败的同步尝试支付了等价成本后才被触发。
• 形式化分析证实，协议的通信复杂度在所有故障场景和网络行为下均为最优。