[论文解读] Optimal good-case latency for byzantine broadcast and state machine replication

Ittai Abraham, Kartik Nayak+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2020

Distributed systems and fault tolerance被引用 3

一句话总结

本文提出了 $1\Delta$ 协议族——$1\Delta$-BA、$1\Delta$-BB 和 $1\Delta$-SMR——在同步认证拜占庭协议、广播和状态机复制中实现了接近最优的正常情况延迟 $\Delta + 2\delta$，且具有最优容错能力 $f < n/2$。这些协议缩小了理论下界 ($\Delta$) 与先前方案（如 Sync HotStuff 的 $2\Delta$）之间的差距，在现实延迟假设下实现了最优性能。

ABSTRACT

This paper investigates the problem extit{good-case latency} of Byzantine agreement, broadcast and state machine replication in the synchronous authenticated setting. The good-case latency measure captures the time it takes to reach agreement when all non-faulty parties have the same input (or in BB/SMR when the sender/leader is non-faulty). Previous result implies a lower bound showing that any Byzantine agreement or broadcast protocol tolerating more than $n/3$ faults must have a good-case latency of at least $\Delta$, where $\Delta$ is the assumed maximum message delay bound. Our first result is a family of protocols we call $1\Delta$ that have near-optimal good-case latency. We propose a protocol $1\Delta$-BA that solves Byzantine agreement in the synchronous and authenticated setting with near-optimal good-case latency of $\Delta+2\delta$ and optimal resilience $f<n/2$, where $\delta$ is the actual (unknown) delay bound. We then extend our protocol and present $1\Delta$-BB and $1\Delta$-SMR for Byzantine fault tolerant broadcast and state machine replication, respectively, in the same setting and with the same good-case latency of $\Delta+2\delta$ and $f<n/2$ fault tolerance. Our $1\Delta$-SMR upper bound improves the gap between the best current solution, Sync HotStuff, which obtains a good-case latency of $2\Delta$ per command and the lower bound of $\Delta$ on good-case latency. Finally, we investigate weaker notions of the synchronous setting and show how to adopt the $1\Delta$ approach to these models.

研究动机与目标

• 弥合理论下界 $\Delta$ 与现有协议在拜占庭容错中正常情况延迟之间的差距。
• 设计在同步认证假设下，实现拜占庭一致性、广播和状态机复制中接近最优正常情况延迟的协议。
• 将 $1\Delta$ 方法扩展到更弱的同步模型，同时保持低延迟和最优容错能力。
• 在状态机复制中改进 Sync HotStuff 的 $2\Delta$ 正常情况延迟，通过实现 $\Delta + 2\delta$ 达到与理论下界 $\Delta$ 更近的差距。

提出的方法

• 设计一种新型协议族 $1\Delta$，利用双阶段通信模式以最小化正常情况下的消息延迟。
• 采用基于领导者的方法，其中非故障领导者在 $\Delta$ 时间内发起通信，随后进入快速法定人数验证阶段。
• 引入一种新颖的延迟感知机制，可适应实际未知延迟 $\delta$，而无需预先知晓 $\delta$。
• 使用认证消息传递和法定人数一致性检查，以确保在 $f < n/2$ 故障下具备安全性和活性。
• 优化消息交换模式，减少冗余通信，同时保持容错能力和低延迟。
• 通过放松对消息传递时间的假设，将 $1\Delta$ 框架适配到更弱的同步模型中。

实验结果

研究问题

• RQ1 在同步认证环境中，拜占庭一致性协议能否在容忍 $f < n/2$ 故障的前提下，实现正常情况延迟在 $\Delta + 2\delta$ 以内？
• RQ2 如何将 $1\Delta$ 协议族从拜占庭一致性扩展到拜占庭广播和状态机复制，同时保持相同的延迟界限？
• RQ3 当实际延迟 $\delta$ 未知但有界时，拜占庭容错协议的最小可实现正常情况延迟是多少？
• RQ4 与 Sync HotStuff 等现有协议相比，$1\Delta$ 方法在延迟和容错能力方面表现如何？
• RQ5 $1\Delta$ 框架能否在不牺牲正常情况性能的前提下推广到更弱的同步模型？

主要发现

• $1\Delta$-BA 协议在同步认证环境中实现了 $f < n/2$ 容错能力下的正常情况延迟 $\Delta + 2\delta$。
• $1\Delta$-BB 和 $1\Delta$-SMR 协议继承了与 $1\Delta$-BA 相同的 $\Delta + 2\delta$ 正常情况延迟和 $f < n/2$ 容错能力。
• $1\Delta$-SMR 协议通过实现 $\Delta + 2\delta$ 的正常情况延迟，将与理论下界 $\Delta$ 的差距缩小，优于 Sync HotStuff 的 $2\Delta$ 延迟。
• 这些协议对 $f < n/2$ 故障具有容错能力，与拜占庭容错的最优容错阈值一致。
• $1\Delta$ 方法可适配到更弱的同步模型中，在放宽假设下仍保持低正常情况延迟。
• 该协议族通过动态适应实际延迟 $\delta$ 实现了接近最优的性能，且无需预先知晓 $\delta$。