[论文解读] (Leader/Randomization/Signature)-free Byzantine Consensus for Consortium Blockchains.

Tyler Crain, Vincent Gramoli+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2017

Distributed systems and fault tolerance参考文献 45被引用 45

一句话总结

该论文提出了一种新型的联盟区块链拜占庭共识算法，消除了对领导者、数字签名和随机化的依赖。通过基于谓词的决策机制泛化有效性，并利用时间最优的多值约简技术，通过并发二值共识实现，该算法在最终同步环境下实现了确定性的、最终的决策，提供了目前已知最快的多值共识到二值共识的约简。

ABSTRACT

This paper presents a new Byzantine consensus algorithm targeting consortium blockchains. To this end, it first revisits the consensus validity property by requiring that the decided value satisfies a predefined predicate, which does not systematically exclude a value proposed only by Byzantine processes, thereby generalizing the validity properties found in the literature. Then, the paper presents a simple and modular Byzantine consensus algorithm that relies neither on a leader, nor on signatures, nor on randomization. It features the fastest multivalued reduction to binary consensus we know of and a time optimal binary Byzantine consensus algorithm. The multivalued reduction runs multiple instances of binary consensus concurrently, which result in a bitmask that is then applied to a vector of multivalued proposals to filter out a valid proposed value that is decided. To ensure eventual decision deterministically, the underlying binary consensus algorithm assumes eventual synchrony.

研究动机与目标

• 解决现有拜占庭共识协议在联盟区块链环境中依赖领导者、签名或随机化机制的局限性。
• 通过仅要求所决定的值满足预定义谓词，泛化共识的有效性属性，从而在特定条件下允许仅由拜占庭进程提出的值被考虑。
• 设计一种模块化且高效的共识算法，将多值共识约简为二值共识，同时保持最小的开销。
• 在最终同步环境下实现时间最优的二值拜占庭共识，确保无需随机化或协调的确定性决策。
• 提供一种实用、高效且可组合的共识解决方案，专为许可制区块链环境设计。

提出的方法

• 该算法通过要求所决定的值满足用户定义的谓词，而非排除所有非正确进程提出的值，来泛化共识的有效性。
• 采用多值共识约简，通过并行运行多个二值共识实例，生成一个位掩码以指示有效提议。
• 将该位掩码应用于多值提议向量，以选择一个有效值用于决策，从而在无需领导者或签名开销的情况下实现高效过滤。
• 底层的二值共识协议是时间最优的，并假设最终同步以保证确定性终止。
• 通过依赖模块化、可组合的结构，避免随机化和领导者选举，确保在故障假设下的安全性和活性。
• 协议设计简洁且形式化可组合，明确分离了多值共识与二值共识组件。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在联盟区块链中实现拜占庭共识，而无需依赖领导者、数字签名或随机化机制？
• RQ2 如何泛化共识的有效性属性，使得在特定条件下可对仅由拜占庭进程提出的值做出决策？
• RQ3 在保持最优性的同时，将多值拜占庭共识约简为二值共识所需的最小开销是多少？
• RQ4 是否可能在最终同步环境下实现时间最优的二值拜占庭共识，且无需领导者或签名依赖？
• RQ5 如何构建一种模块化且可组合的共识设计，以确保在许可制区块链环境中具备安全性和活性？

主要发现

• 所提出的算法实现了目前已知最快的多值共识到二值共识的约简，最大限度减少了通信和时间开销。
• 在最终同步环境下，该协议提供了时间最优的二值拜占庭共识协议，其决策时间达到理论下限。
• 协议确保了无需随机化或领导者选举的确定性决策，提升了可预测性和安全性。
• 通过谓词泛化有效性，该算法在值选择上提供了更大的灵活性，包括在谓词满足时接受仅由拜占庭进程提出的值。
• 由于无需签名和领导者角色，协议复杂性降低，攻击面减少，从而在联盟环境中提升了效率和可组合性。
• 模块化设计使得底层二值共识协议可被复用于不同的多值共识应用场景。