[论文解读] Revisiting hBFT: Speculative Byzantine Fault Tolerance with Minimum Cost

Nibesh Shrestha, Mohan Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 5被引用 5

一句话总结

本文揭示了 hBFT 中一个关键的安全违规问题，hBFT 是一种声称仅需 3f + 1 个副本即可实现两步共识的拜占庭容错共识协议。作者通过一个形式化场景证明，一个拜占庭主节点可通过伪造 PREPARE 消息，导致冲突的承诺，从而违反 FaB Paxos 所确立的 5f + 1 个副本下限，破坏共识安全性。

ABSTRACT

FaB Paxos sets a lower bound of 5f + 1 replicas for any two-step consensus protocols tolerating f byzantine failures. Yet, hBFT promises a two-step consensus protocol with only 3f + 1 replicas. As a result, it violates safety property of a consensus protocol. In this note, we review the lower bound set by FaB Paxos and present a simple execution scenario that produces a safety violation in hBFT. To demonstrate the scenario, we require a relatively simple setup with only 4 replicas and one view-change.

研究动机与目标

• 分析 hBFT 的安全性保证，hBFT 是一种声称实现 3f+1 副本效率的两步拜占庭容错共识协议。
• 挑战在拜占庭故障下仅用 3f+1 个副本即可实现两步共识的说法。
• 展示一个具体执行场景，其中 hBFT 因拜占庭主节点而违反共识安全性。
• 表明当副本发送冲突值且不存在提交证书时，hBFT 的视图变更协议无法保留已提交的值。
• 强化两步拜占庭共识协议中 5f + 1 个副本的理论下限。

提出的方法

• 构建一个包含 4 个副本（其中 1 个为拜占庭主节点，f=1）的最小系统，以测试 hBFT 的安全性。
• 设计一个双视图执行流程：视图 1 中，主节点 i1 发送针对值 a 和 b 的冲突 PREPARE 消息。
• 在视图 1 中，副本 i2 和 i3 在收到 2f+1（即 3 个）COMMIT 消息后提交值 a；i4 提交值 b。
• 在视图 2 中触发视图变更，主节点 i2 收集到 2f+1（即 3 个）VIEW-CHANGE 消息：i2（值 a）、i4（值 b）、i1（伪造的 b）。
• 使用 hBFT 的视图变更逻辑：因有 f+1（即 2 个）投票支持 b 且无提交证书，故选择值 b。
• 表明在视图 2 中，所有正确副本（i2、i3、i4）均提交值 b，与之前对值 a 的承诺相矛盾。

实验结果

研究问题

• RQ1 在拜占庭故障下，hBFT 能否安全地仅用 3f + 1 个副本实现两步共识？
• RQ2 当不存在提交证书时，hBFT 的视图变更协议是否能正确保留先前已提交的值？
• RQ3 拜占庭主节点伪造 PREPARE 消息对共识安全性有何影响？
• RQ4 hBFT 是否违反了 FaB Paxos 为两步拜占庭共识所确立的 5f + 1 个副本理论下限？
• RQ5 能否仅用四个副本和一次视图变更就演示出安全违规？

主要发现

• 在 hBFT 中，单个拜占庭主节点可通过消息伪造，导致同一序号下提交两个不同值（a 和 b）。
• 在 f=1 的 4 副本系统中，hBFT 的视图变更协议基于 f+1 张选票（2 张）选择值 b，尽管值 a 已被 2f+1 个副本（3 个副本）提交。
• 视图变更消息中缺少提交证书，使得新主节点可选择冲突值，从而违反共识安全性。
• hBFT 未能保留值 a 的提交状态，尽管该值已被 3 个正确副本（i2、i3 和 i1）接受，导致安全违规。
• 该协议违反了 FaB Paxos 所确立的 5f + 1 个副本下限，证明在拜占庭故障下，仅用 3f + 1 个副本实现两步共识是不安全的。
• 安全违规并非发生在正常执行过程中，而是在视图变更期间发生，原因是基于票数统计选择值，而未进行证书验证。