[论文解读] Revisiting Fast Practical Byzantine Fault Tolerance

Ittai Abraham, Guy Golan Gueta+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Distributed systems and fault tolerance参考文献 15被引用 46

一句话总结

本文在四个副本、一次或两次视图变更的最简条件下，识别出两种主流乐观拜占庭容错协议——Zyzzyva 和 FaB——中的关键安全与活性缺陷。研究证明，Zyzzyva 因冲突的准备消息而允许不安全决策，而 FaB 的参数化变体则因不一致的进度证书在视图变更期间陷入停滞，从而破坏其宣称的快速路径保证。

ABSTRACT

In this note, we observe a safety violation in Zyzzyva and a liveness violation in FaB. To demonstrate these issues, we require relatively simple scenarios, involving only four replicas, and one or two view changes. In all of them, the problem is manifested already in the first log slot.

研究动机与目标

• 识别并演示乐观拜占庭容错协议中关键的安全与活性违规，特别是 Zyzzyva 和 FaB。
• 证明这些缺陷即使在仅含四个副本及一次或两次视图变更的简单场景下亦会显现。
• 证明 FaB 的参数化变体（PFaB）因不一致的进度证书而可能陷入停滞，从而破坏其快速路径的活性保证。
• 挑战一种假设，即拜占庭复制中的乐观路径可与主协议完全解耦而不损害正确性。
• 强调目前尚无任何快速拜占庭一致性协议能同时实现最优步数复杂度、容错能力、在小于 1/3 故障下的安全性，以及部分同步环境下的进展性。

提出的方法

• 分析 Zyzzyva 和 FaB 中的视图变更机制，特别是新领导者如何利用进度证书从先前视图中采纳值。
• 构建最小对抗性场景，包含四个副本（一个拜占庭）及一次或两次视图变更，以触发安全与活性违规。
• 证明在 FaB 的参数化变体（PFaB）中，进度证书可能同时包含两个新视图消息：一个带有冲突的准备值，另一个则为不同值的提交证书，导致协议陷入停滞。
• 识别出 PFaB 的进度证书验证规则存在缺陷，因其允许证书为两个冲突值中的任一者均不背书，从而引发死锁。
• 运用对法定集合交集与拜占庭法定集合特性的形式化推理，证明协议违反了核心安全与活性条件。
• 指出 PFaB 的引理 7（关于证书背书）存在缺陷，从而使其主正确性论证在快速路径上失效。

实验结果

研究问题

• RQ1 在仅含四个副本及一次视图变更的最简条件下，Zyzzyva 是否可能发生安全违规？
• RQ2 当进度证书不一致时，FaB 的参数化变体（PFaB）在视图变更期间是否仍能保持活性？
• RQ3 PFaB 中的进度证书机制是否足以确保在领导者更换期间至少有一个值被背书？
• RQ4 若快速路径与恢复路径未完全交织，能否设计出在拜占庭环境下既安全又活跃的协议？
• RQ5 若某视图中缺少正确领导者，是否因冲突的准备消息与提交证书导致 PFaB 出现死锁？

主要发现

• 当拜占庭领导者预先提出冲突值，且正确副本接受这些值时，Zyzzyva 会出现安全违规，即使仅发生一次视图变更，仍会导致不一致决策。
• 在 FaB 的参数化变体（PFaB）中，进度证书可能同时包含两个新视图消息：一个带有冲突的准备值，另一个则为不同值的提交证书，导致协议陷入停滞。
• 协议无法推进，因为证书未为任何值提供背书，这是由于存在 f+t+1 个冲突的准备消息及一个冲突的提交证书，违反了背书条件。
• 问题根源在于 PFaB 的引理 7，其错误假设所有进度证书均至少为一个值提供背书，而实际上可能完全无法为任一值背书。
• 即使在 f=1、t=0 且 n=4 的情况下，该问题依然存在，表明该缺陷与大规模系统或复杂故障模式无关。
• 本文结论为：目前尚无任何快速拜占庭复制协议能同时满足最优步数复杂度、容错能力、在小于 1/3 故障下的安全性，以及部分同步环境下的进展性。