[论文解读] Protocol for Asynchronous, Reliable, Secure and Efficient Consensus (PARSEC) Version 2.0

P.-Y. Chevalier, Bartłomiej Kamiński+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 2被引用 7

一句话总结

PARSEC v2.0 提出了一种无领导者、异步的拜占庭容错（BFT）共识协议，该协议以概率1达成共识，可抵抗最多1/3的拜占庭故障，并通过分布式密钥生成支持动态成员管理。它结合了基于gossip的通信、用于随机化的公共硬币机制以及二元共识，确保在完全异步环境下具备安全性和活性，具备形式化正确性证明，并提供了开源的Rust实现。

ABSTRACT

In this paper we present an open source, fully asynchronous, leaderless algorithm for reaching consensus in the presence of Byzantine faults in an asynchronous network. We prove the algorithm's correctness provided that less than a third of participating nodes are faulty. We also present a way of applying the algorithm to a network with dynamic membership, i.e. a network in which nodes can join and leave at will. The core contribution of this paper is an optimal model in the definition of an asynchronous BFT protocol, and which is resilient to 1/3 byzantine nodes. This model matches an agreement with probability one (unlike some probabilistic methods), and where a common coin is used as a source of randomization so that it respects the FLP impossibility result.

研究动机与目标

• 设计一种完全异步、无领导者、可抵抗最多1/3故障节点的拜占庭容错共识协议。
• 确保以概率1达成共识，避免其他协议中常见的概率安全性保证。
• 在无需初始化后依赖可信第三方的情况下，支持动态成员变更（节点加入/离开）。
• 集成一种公共硬币机制用于随机化，尊重FLP不可能性结果的同时保持活性。
• 提供形式化证明、高效且开源的实现，适用于生产级去中心化系统（如SAFE网络）。

提出的方法

• 使用gossip协议在节点间高效传播事件和投票，实现可扩展且具有弹性的通信。
• 采用gossip图来追踪事件传播情况，并识别触发共识决策的“关键事件”。
• 在多数观察者上应用二元拜占庭一致性协议，以决定下一个区块。
• 引入公共硬币机制用于随机化，确保在异步环境下保持活性并避免共识死锁。
• 使用分布式密钥生成（DKG）在动态成员变更期间安全地更新成员列表和密钥分片。
• 通过稳定区块触发DKG来处理成员变更，确保所有节点就新成员关系和密码参数达成一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 无领导者、完全异步的BFT共识协议能否在抵抗最多1/3拜占庭故障的前提下，以概率1达成共识？
• RQ2 在初始化后不依赖可信第三方的情况下，如何在BFT协议中支持动态成员变更？
• RQ3 能否将公共硬币机制集成到异步BFT协议中，以尊重FLP不可能性结果，同时确保活性？
• RQ4 在无领导者或轮转结构的环境中，如何实现高效可靠的通信？
• RQ5 基于gossip的协议结合二元共识与公共硬币机制，能否在异步网络中同时实现安全性和活性？

主要发现

• 该协议在完全异步环境下保证了安全性和活性，即使在对抗性消息延迟下，也能以概率1达成共识。
• 该算法可抵抗最多1/3的拜占庭故障，达到BFT共识的理论最优值。
• 通过DKG和稳定区块传播支持动态成员变更，使节点可在初始化后无需可信外部干预即可加入或离开。
• 所有正确节点最终就同一区块达成一致，这是由于一致的投票规则以及通过强可见事件实现的线性历史重建。
• 公共硬币的使用实现了尊重FLP不可能性结果的随机化，同时保持活性并防止共识停滞。
• 协议的正确性通过形式化证明得到保障，证明基于观察者投票、超多数一致性以及线性历史一致性等引理。