[论文解读] Network-Agnostic State Machine Replication

Erica Blum, Jonathan Katz+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 28被引用 6

一句话总结

本文提出了一种与网络无关的状态机复制（SMR）协议，该协议在同步网络和异步网络中均实现了最优容错。在同步环境中，它可容忍最多 $ t_s < n/2 $ 个拜占庭故障；在异步环境中，可容忍最多 $ t_a < n/3 $ 个拜占庭故障，且满足条件 $ t_a + 2t_s < n $，该条件与该问题已知的最紧界限一致，并通过不可能性结果证明了其最优性。

ABSTRACT

We study the problem of state machine replication (SMR)---the underlying problem addressed by blockchain protocols---in the presence of a malicious adversary who can corrupt some fraction of the parties running the protocol. Existing protocols for this task assume either a synchronous network (where all messages are delivered within some known time $Δ$) or an asynchronous network (where messages can be delayed arbitrarily). Although protocols for the latter case give seemingly stronger guarantees, this is not the case since they (inherently) tolerate a lower fraction of corrupted parties. We design an SMR protocol that is network-agnostic in the following sense: if it is run in a synchronous network, it tolerates $t_s$ corrupted parties; if the network happens to be asynchronous it is resilient to $t_a \leq t_s$ faults. Our protocol achieves optimal tradeoffs between $t_s$ and $t_a$.

研究动机与目标

• 设计一种状态机复制（SMR）协议，无论底层网络是同步还是异步，均能保持强一致性与活性保证。
• 实现最优的容错阈值 $ t_s $ 和 $ t_a $，其中 $ t_s $ 为同步网络中可容忍的最大故障数，$ t_a $ 为异步网络中可容忍的最大故障数。
• 通过证明当 $ t_a + 2t_s o n $ 时，不存在此类协议，从而证明协议的容错阈值是最优的。
• 解决在自适应故障环境下，特别是在缺乏网络先验知识的情况下，维持SMR中活性与一致性的挑战。

提出的方法

• 协议使用一种与网络无关的异步通用子集（ACS）子协议作为核心原 primitive，以确保诚实参与方之间对块集合的选择保持一致。
• 采用两阶段执行机制：第一阶段，各参与方收集输入并使用门限签名方案对其签名；第二阶段，运行ACS协议以收敛到一个共同的块集合。
• 协议利用公钥基础设施（PKI）对消息进行认证，确保仅有效输入被包含在最终的块集合中。
• 通过密码学签名和一致性检查，强制实现 $ t_s $-有效性与 $ t_a $-活性，确保诚实参与方就同一块集合达成一致。
• 设计保证在同步网络中，所有诚实参与方对ACS协议使用相同的输入，从而实现 $ t_s $-有效性。
• 在异步网络中，即使消息传递存在延迟或受敌手控制，协议仍能保证 $ t_a $-活性与 $ t_a $-一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种状态机复制协议，使其在同步网络中容忍 $ t_s < n/2 $ 个故障，在异步网络中容忍 $ t_a < n/3 $ 个故障？
• RQ2 对于此类与网络无关的SMR协议，$ t_s $ 与 $ t_a $ 之间最紧的权衡关系是什么？
• RQ3 是否可能在不损害一致性或活性的前提下，同时在两种网络模型中实现最优容错？
• RQ4 条件 $ t_a + 2t_s < n $ 是否代表此类协议的根本限制，且该界限是否可被证明为紧致？
• RQ5 在不依赖重复拜占庭协议执行的前提下，能否在与网络无关的环境中满足SMR对更强活性与一致性的要求？

主要发现

• 所提出的SMR协议在同步网络中实现 $ t_s $-活性，在异步网络中实现 $ t_a $-活性，其中 $ t_s < n/2 $ 且 $ t_a < n/3 $，在条件 $ t_a + 2t_s < n $ 下成立。
• 协议确保在异步网络中实现 $ t_a $-一致性，在同步网络中实现 $ t_s $-一致性，即所有诚实参与方就同一块序列达成一致。
• 协议的容错阈值是最优的：当 $ t_a + 2t_s o n $ 时，任何与网络无关的SMR协议都无法容忍超过 $ t_s $ 和 $ t_a $ 个故障。
• 不可能性结果表明，若 $ t_a + 2t_s o n $，则协议无法同时在同步网络中实现 $ t_s $-活性，在异步网络中实现 $ t_a $-一致性。
• 协议的核心依赖于一种与网络无关的ACS子协议，即使在自适应故障和可变网络延迟下，也能确保诚实参与方收敛到同一块集合。
• 协议设计避免了重复拜占庭协议或通用编译器的局限性，这些方法无法实现与网络无关，而是构建了一种专用解决方案，具备紧密的安全保障。