[论文解读] Scalable and Probabilistic Leaderless BFT Consensus through Metastability

Team Rocket, Maofan Yin+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2019

Distributed systems and fault tolerance被引用 60

一句话总结

本文介绍 Snow，一种基于亚稳态网络子抽样的无领袖拜占庭容错共识族，并评估 Avalanche——一个建立在 Snowball 上的基于 DAG 的支付系统，具高吞吐量和低延迟。

ABSTRACT

This paper introduces a family of leaderless Byzantine fault tolerance protocols, built around a metastable mechanism via network subsampling. These protocols provide a strong probabilistic safety guarantee in the presence of Byzantine adversaries while their concurrent and leaderless nature enables them to achieve high throughput and scalability. Unlike blockchains that rely on proof-of-work, they are quiescent and green. Unlike traditional consensus protocols where one or more nodes typically process linear bits in the number of total nodes per decision, no node processes more than logarithmic bits. It does not require accurate knowledge of all participants and exposes new possible tradeoffs and improvements in safety and liveness for building consensus protocols. The paper describes the Snow protocol family, analyzes its guarantees, and describes how it can be used to construct the core of an internet-scale electronic payment system called Avalanche, which is evaluated in a large scale deployment. Experiments demonstrate that the system can achieve high throughput (3400 tps), provide low confirmation latency (1.35 sec), and scale well compared to existing systems that deliver similar functionality. For our implementation and setup, the bottleneck of the system is in transaction verification.

研究动机与目标

• 引入一种基于通过网络子抽样实现亚稳态决策的无领导拜占庭容错共识协议族。
• 在不依赖工作量证明或领袖选举的情况下，提供概率安全性保证和有界活跃性。
• 通过概述并评估一个互联网规模的电子支付系统（Avalanche）来展示其实用性。
• 在部分网络知识下分析安全性、活跃性与拜占庭容错之间的权衡。

提出的方法

• 定义以随机网络抽样驱动亚稳态决策的 Snow 协议族（Slush、Snowflake、Snowball）。
• 对每个协议使用几个固定参数（k、α、β）来控制抽样、多数组阈值和信念计数。
• 通过连续时间马尔可夫过程分析和不可逆状态证明概率安全性（ε-safety）和有界活性。
• 在 Snowball 中扩展信心计数器以提高决策稳定性，并应用相位分析以确保安全性和活跃性。
• 描述 Avalanche，一种使用事务 DAG 的多宣告实现，以提高效率和安全性，配备筹码与子代信心。

实验结果

研究问题

• RQ1 无领袖、基于亚稳态随机抽样的共识如何在存在拜占庭对手时实现可靠的一致性？
• RQ2 在不同的拜占庭参与程度下，Snow、Snowflake 和 Snowball 的概率安全性与活性属性是什么？
• RQ3 基于 DAG 的结构（Avalanche）如何提升加密货币风格支付的吞吐量与安全性？
• RQ4 在大规模部署中，提出系统的性能特征（吞吐量、延迟）是什么？

主要发现

• Snow 协议在正确节点之间的决策冲突概率极低的情况下实现 ε-safety。
• 在轮数有界的前提下实现活性，在对手存在较小时收敛更快（在某些条件下为 O(log n) 轮）。
• 在实验中 Avalanche 实现了高吞吐量和低延迟（例如 3400 tps 和 1.35 s 确认）。
• 协议设计容忍成员资格知识的差异，不依赖对所有参与者的完全了解。
• 与基于 PoW 的 Nakamoto 共识相比，Snow 静默、节能，并且随着网络规模增长而扩展，因为每轮通信量固定且轮数对数增加。
• Snowflake 与 Snowball 通过引入每节点计数与信心度量提供更强的安全性和更快的收敛。