[论文解读] Mir-BFT: High-Throughput Robust BFT for Decentralized Networks

Chrysoula Stathakopoulou, Tudor David+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 47被引用 20

一句话总结

Mir-BFT 是一种高吞吐量的拜占庭容错（BFT）协议，通过哈希空间划分和签名验证分片技术，在去中心化网络中允许多个并行领导者同时提出请求批次而不会产生重复，从而实现高吞吐量。该协议在100个节点的广域网（WAN）环境下，实现了每秒超过60,000笔签名的比特币大小（500字节）交易，延迟低于一秒，显著优于当前最先进的BFT协议，同时保持了强大的安全性和活性保证。

ABSTRACT

This paper presents Mir-BFT, a robust Byzantine fault-tolerant (BFT) total order broadcast protocol aimed at maximizing throughput on wide-area networks (WANs), targeting deployments in decentralized networks, such as permissioned and Proof-of-Stake permissionless blockchain systems. Mir-BFT is the first BFT protocol that allows multiple leaders to propose request batches independently (i.e., parallel leaders), in a way that precludes request duplication attacks by malicious (Byzantine) clients, by rotating the assignment of a partitioned request hash space to leaders. As this mechanism removes a single-leader bandwidth bottleneck and exposes a computation bottleneck related to authenticating clients even on a WAN, our protocol further boosts throughput using a client signature verification sharding optimization. Our evaluation shows that Mir-BFT outperforms state-of-the-art and orders more than 60000 signed Bitcoin-sized (500-byte) transactions per second on a widely distributed 100 nodes, 1 Gbps WAN setup, with typical latencies of few seconds. We also evaluate Mir-BFT under different crash and Byzantine faults, demonstrating its performance robustness. Mir-BFT relies on classical BFT protocol constructs, which simplifies reasoning about its correctness. Specifically, Mir-BFT is a generalization of the celebrated and scrutinized PBFT protocol. In a nutshell, Mir-BFT follows PBFT "safety-wise", with changes needed to accommodate novel features restricted to PBFT liveness.

研究动机与目标

• 解决在广域网中，由于单个领导者带宽和CPU负载过高而导致的性能瓶颈问题。
• 在拜占庭客户端行为下，实现多个领导者并行提出请求，且不引入请求重复。
• 在异步网络中保持强安全性和活性保证的同时，将吞吐量扩展至100个节点广域网环境下的60,000 TPS以上。
• 为依赖小型可信委员会的许可制和权益证明（Proof-of-Stake）的非许可制区块链，提供一种实用且可扩展的BFT解决方案。

提出的方法

• 将请求哈希空间进行划分，并将不相交的子集分配给不同领导者，以防止拜占庭客户端导致的重复提案。
• 定期轮换领导者分配，以防止拜占庭领导者发起请求屏蔽攻击。
• 实施签名验证分片优化，以分发CPU负载并降低每个领导者的验证开销。
• 通过在多个并行实例中运行视图变更以及预准备/准备/提交阶段，推广PBFT协议，每个实例处理一个划分后的请求集合。
• 使用经典BFT构建（如基于法定人数的投票、视图同步）以确保正确性并简化推理过程。
• 利用最终同步假设来保证活性，同时在异步环境下仍保持安全性。

实验结果

研究问题

• RQ1 BFT协议是否能够在存在拜占庭客户端的情况下，支持多个并行领导者而不会引入请求重复？
• RQ2 在不依赖全局协调或领导者协调的前提下，如何防止多领导者BFT协议中的请求重复？
• RQ3 在广域网环境中，通过结合并行领导机制与客户端签名验证分片，能够实现多大的性能提升？
• RQ4 该协议在广域网中面对崩溃和拜占庭故障时，如何保持安全性和活性？
• RQ5 基于PBFT的成熟逻辑设计的BFT协议，是否能够在去中心化网络中实现高吞吐量的可扩展性？

主要发现

• Mir-BFT 在100个节点、1 Gbps的广域网环境下，实现了每秒超过60,000笔签名的比特币大小（500字节）交易。
• 在正常运行条件下，协议的典型延迟仅为几秒，即使在地理分布广泛的节点之间也能保持稳定。
• 与Honeybadger和BEAT等最先进的BFT协议相比，Mir-BFT在吞吐量和有效吞吐量方面均实现了显著的性能优势。
• 该协议在多种故障模型下（包括崩溃和拜占庭故障）均表现出稳健的性能，展现出强大的容错能力。
• 签名验证分片优化有效将瓶颈从网络带宽转移至CPU，从而实现高效的可扩展性。
• Mir-BFT 是首个在广域网环境中同时支持并行领导者、防止请求重复，并保持强安全性和活性保证的BFT协议。