[论文解读] LinBFT: Linear-Communication Byzantine Fault Tolerance for Public Blockchains

Yin Yang|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 18被引用 20

一句话总结

LinBFT 是一种针对公共区块链的新型拜占庭容错协议，通过线性视图更换、门限签名和可验证随机函数，实现了每区块摊销 O(n) 的通信复杂度，同时保持了确定性安全性和活性。它是首个具备这些保障的 O(n) 拜占庭容错协议，专为具有动态参与者、权益证明和罚没机制的无许可环境而设计。

ABSTRACT

This paper presents LinBFT, a novel Byzantine fault tolerance (BFT) protocol for blockchain systems that achieves amortized O(n) communication volume per block under reasonable conditions (where n is the number of participants), while satisfying determinist guarantees on safety and liveness. This significantly improves previous results, which either incurs quadratic communication complexity, or only satisfies safety in a probabilistic sense. LinBFT is based on the popular PBFT protocol, and cuts down its $O(n^4)$ complexity with three tricks, each by $O(n)$: linear view change, threshold signatures, and verifiable random functions. All three are known, i.e., the solutions are right in front of our eyes, and yet LinBFT is the first $O(n)$ solution with deterministic security guarantees. Further, LinBFT also addresses issues that are specific to permission-less, public blockchain systems, such as anonymous participants without a public-key infrastructure, proof-of-stake with slashing, rotating leader, and a dynamic participant set. In addition, LinBFT contains no proof-of-work module, reaches consensus for every block, and tolerates changing honesty of the participants for different blocks.

研究动机与目标

• 解决现有 BFT 协议在公共区块链中通信开销过高的问题，这些协议通常呈现二次方或更差的扩展性。
• 设计一种 BFT 协议，在实现线性通信复杂度的同时，保持确定性安全性和活性。
• 支持实际公共区块链功能，如动态参与者集合、带罚没机制的权益证明、轮换领导者以及无需 PKI 的匿名参与者。
• 在不依赖工作量证明的前提下，确保每个区块都能达成共识。

提出的方法

• 对 PBFT 协议进行改进，引入三项关键优化：线性视图更换、门限签名和可验证随机函数，每项均将复杂度降低 O(n)。
• 采用门限签名聚合预准备和预提交消息，将签名数量从 O(n²) 降低至 O(n)。
• 利用可验证随机函数（VRF）实现动态轮换的领导者选择机制，防止合谋并确保公平性。
• 基于 VRF 输出引入领导者轮换机制，防止长期领导者主导，提升系统韧性。
• 通过消除对公钥基础设施的依赖，利用密码学承诺和 VRF 实现对匿名参与者的支持。
• 通过基于可验证且门限的共识过程，支持动态参与者集合，允许新参与者加入和现有参与者退出。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在公共区块链中设计出一种 BFT 协议，实现 O(n) 通信复杂度，同时保持确定性安全性和活性？
• RQ2 如何结合门限签名和可验证随机函数以减少 BFT 共识中的通信开销？
• RQ3 如何在不损害安全性或效率的前提下，支持 BFT 协议中的领导者轮换和动态参与者集合？
• RQ4 能否在无许可环境中设计一种无需工作量证明的 BFT 协议，同时仍能确保每个区块达成共识？
• RQ5 如何在不依赖公钥基础设施的前提下，安全地将匿名参与者集成到 BFT 共识协议中？

主要发现

• LinBFT 实现了每区块摊销 O(n) 的通信复杂度，相较于 PBFT 的 O(n⁴) 复杂度有显著提升。
• 该协议保持了确定性安全性和活性，而此前的 O(n) 解决方案依赖于概率性保证。
• 门限签名将所需签名数量从 O(n²) 降低至 O(n)，实现了线性扩展。
• 可验证随机函数实现了无需可信设置或公钥基础设施的公平、动态领导者选择。
• 该协议支持带罚没机制的权益证明、动态参与者集合和轮换领导者，适用于公共区块链。
• LinBFT 消除了对工作量证明的依赖，同时确保每个区块都能达成共识，提升了效率和最终性。