[论文解读] Leaderless Byzantine Fault Tolerant Consensus.

Jianyu Niu, Chen Feng|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 20被引用 6

一句话总结

本文提出 LBFT，一种无领导者拜占庭容错共识协议，通过使节点能够自主竞争提出区块，消除了视图同步和领导者协调机制。通过利用链式结构、流水线处理以及高级密码学技术，LBFT 实现了 O(n) 或 O(n log n) 的消息复杂度，同时在实现复杂度上相比基于领导者的协议有显著简化。

ABSTRACT

Byzantine fault tolerant (BFT) consensus has recently gained much attention because of its intriguing connection with blockchains. Several state-of-the-art BFT consensus protocols have been proposed in the age of blockchains such as Tendermint [5], Pala [9], Streamlet [8], HotStuff [23], and Fast-HotStuff [17]. These protocols are all leader-based (i.e., protocols run in a series of views, and each view has a delegated node called the leader to coordinate all consensus decisions). To make progress, leader-based BFT protocols usually rely on view synchronization, which is an ad-hoc way of rotating the leader and synchronizing nodes to the same view with the leader for enough overlap time. However, many studies and system implementations show that existing methods of view synchronization are complicated and bug-prone [2], [15], [16], [19]. In this paper, we aim to design a leaderless Byzantine fault tolerant (LBFT) protocol, in which nodes simply compete to propose blocks (containing a batch of clients' requests) without the need of explicit coordination through view synchronization. LBFT also enjoys several other desirable features emphasized recently by the research community, such as the chain structure, pipelining techniques, and advanced cryptography [5], [6], [9], [17], [23]. With these efforts, LBFT can achieve both good performance (e.g., O(n)or O(nlog(n)) message complexity) and prominent simplicity.

研究动机与目标

• 解决现有基于领导者 BFT 协议中视图同步机制的复杂性和易出错问题。
• 设计一种无需指定领导者或显式视图协调的拜占庭容错共识协议。
• 在保持协议简洁性的同时，实现高性能和低消息复杂度。
• 集成现代密码学技术以及流水线处理和链式结构等结构优化，以提升效率。

提出的方法

• 用无需视图同步的无领导者模型替代基于领导者协调的机制，使节点能够自主提出区块。
• 使用基于链的结构组织区块，确保网络中的一致性。
• 应用流水线技术，允许多个共识轮次并行处理，提升吞吐量。
• 利用高级密码学确保提案的真实性与完整性，而无需依赖中心协调者。
• 设计协议使得进展通过竞争性区块提议与验证实现，从而消除对领导者轮换或视图变更的需求。
• 通过优化通信模式并减少冗余消息交换，确保消息复杂度保持在 O(n) 或 O(n log n)。

实验结果

研究问题

• RQ1 无领导者 BFT 共识协议是否能在性能和实现简洁性方面优于基于领导者的方法？
• RQ2 如何在存在拜占庭故障的情况下，消除视图同步开销，同时保持活性与安全性？
• RQ3 流水线处理和链式结构在多大程度上可降低无领导者 BFT 协议中的消息复杂度？
• RQ4 高级密码学能否在无领导者设计中有效集成，以在无协调的情况下确保安全性？

主要发现

• LBFT 消除了对视图同步的需求，显著降低了协议复杂度和潜在故障点。
• 该协议实现了 O(n) 或 O(n log n) 的消息复杂度，效率与最先进的基于领导者协议相当或更优。
• 通过移除领导者角色，LBFT 提升了容错能力，并增强了对与领导者相关的攻击或故障的鲁棒性。
• 链式结构与流水线处理的集成实现了高效的区块处理和高吞吐量，且无协调开销。
• 该协议表明，无领导者设计在具备强安全保证和实际性能的前提下，适用于 BFT 共识。