[论文解读] Practical Synchronous Byzantine Consensus

Ling Ren, Kartik Nayak+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2017

Distributed systems and fault tolerance被引用 20

一句话总结

本文提出了一种实用的拜占庭状态机复制与一致性协议，在同步环境下实现了 $2f+1$ 个副本的容错，将 PBFT 的 $3f+1$ 副本要求降低。通过利用同步性，在 $f+1$ 个诚实副本处形成与所有预提交法定人数相交的后提交法定人数，使共识速度更快，轮次更少，优于以往工作。

ABSTRACT

We present new protocols for Byzantine state machine replication and Byzantine agreement in the synchronous and authenticated setting. The celebrated PBFT state machine replication protocol tolerates $f$ Byzantine faults in an asynchronous setting using $3f+1$ replicas, and has since been studied or deployed by numerous works. In this work, we improve the Byzantine fault tolerance to $n=2f+1$ by utilizing the synchrony assumption. The key challenge is to ensure a quorum intersection at one \emph{honest} replica. Our solution is to rely on the synchrony assumption to form a \emph{post-commit} quorum of size $2f+1$, which intersects at $f+1$ replicas with any \emph{pre-commit} quorums of size $f+1$. Our protocol also solves synchronous authenticated Byzantine agreement in fewer rounds than the best existing solution (Katz and Koo, 2006). A challenge in this direction is to handle non-simultaneous termination, which we solve by introducing a notion of \emph{virtual} participation after termination. Our protocols may be applied to build practical synchronous Byzantine fault tolerant systems and improve cryptographic protocols such as secure multiparty computation and cryptocurrencies when synchrony can be assumed.

研究动机与目标

• 通过利用同步性假设，将拜占庭容错所需的副本数量从 $3f+1$ 降低至 $2f+1$。
• 在更少轮次内解决同步认证拜占庭一致性协议，优于现有协议（如 Katz 和 Koo，2006 年）。
• 通过在终止后引入虚拟参与，解决同步一致性中的非同时终止问题。
• 实现在同步性假设下拜占庭容错系统的实际部署。
• 在可假设同步性的前提下，提升安全多方计算和加密货币等密码协议的效率。

提出的方法

• 利用同步性假设，形成一个大小为 $2f+1$ 的后提交法定人数，使其在 $f+1$ 个诚实副本处与所有大小为 $f+1$ 的预提交法定人数相交。
• 利用同步性下的法定人数相交保证，确保在存在 $f$ 个拜占庭故障时的一致性与活性。
• 引入虚拟参与机制，以处理非同时终止问题，使副本在终止后仍能完成共识，而不会阻塞。
• 设计一种新型认证拜占庭一致性协议，相比以往解决方案减少了轮次数量。
• 依赖认证通信与时间假设，确保在同步模型下的安全性和活性。
• 基于新一致性协议构建状态机复制协议，实现 $2f+1$ 副本容错。

实验结果

研究问题

• RQ1 在同步环境下，能否通过将所需副本数从 $3f+1$ 降低至 $2f+1$，使拜占庭状态机复制更高效？
• RQ2 在同步拜占庭一致性协议中，如何在诚实副本处保证法定人数相交？
• RQ3 何种机制可确保在非同时终止的情况下，仍能实现快速终止与活性？
• RQ4 能否将同步认证拜占庭一致性协议的轮次数量减少至低于现有解决方案？
• RQ5 如何利用虚拟参与机制正确处理非同时终止问题，同时保持正确性？

主要发现

• 所提出的协议仅需 $2f+1$ 个副本即可实现拜占庭容错，优于 PBFT 的 $3f+1$ 要求。
• 该协议通过依赖同步性假设，形成大小为 $2f+1$ 的后提交法定人数，确保在 $f+1$ 个诚实副本处与所有预提交法定人数相交。
• 该协议在轮次数量上少于最佳现有解决方案（Katz 和 Koo，2006 年），解决了同步认证拜占庭一致性问题。
• 引入虚拟参与机制，可在不损害安全性和活性的前提下，正确处理非同时终止问题。
• 所提出的协议具有实用性，可在同步性可假设的现实系统中应用，包括安全多方计算和加密货币。
• 该方法在认证、同步通信环境下保持了强一致性和容错能力。