[论文解读] Stabilizing Server-Based Storage in Byzantine Asynchronous Message-Passing Systems

Silvia Bonomi, Shlomi Dolev+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2015

Distributed systems and fault tolerance参考文献 13被引用 5

一句话总结

本文提出了一种在具有瞬时故障的异步消息传递系统中，首个具有自稳定性的拜占庭容错原子读/写寄存器。它通过使用有界序列号、基于轮次的标记法以及多个单写者多读者（SWMR）寄存器，构建了一个实际稳定的多写者多读者（MWMR）原子寄存器，可在异步环境中容忍最多 t < n/8 个拜占庭服务器，在同步环境中容忍最多 t < n/3 个拜占庭服务器。

ABSTRACT

A stabilizing Byzantine single-writer single-reader (SWSR) regular register, which stabilizes after the first invoked write operation, is first presented. Then, new/old ordering inversions are eliminated by the use of a (bounded) sequence number for writes, obtaining a practically stabilizing SWSR atomic register. A practically stabilizing Byzantine single-writer multi-reader (SWMR) atomic register is then obtained by using several copies of SWSR atomic registers. Finally, bounded time-stamps, with a time-stamp per writer, together with SWMR atomic registers, are used to construct a practically stabilizing Byzantine multi-writer multi-reader (MWMR) atomic register. In a system of $n$ servers implementing an atomic register, and in addition to transient failures, the constructions tolerate t

研究动机与目标

• 在具有瞬时故障的拜占庭异步消息传递系统中设计一个自稳定的原子寄存器。
• 消除写操作顺序颠倒问题，并在瞬时故障后确保一致性。
• 将单写者单读者（SWSR）常规寄存器扩展为多写者多读者（MWMR）原子寄存器。
• 实现实际稳定化，而无需像以往工作那样依赖写操作静默状态。
• 在异步系统中容忍最多 t < n/8 个拜占庭服务器，在同步系统中容忍最多 t < n/3 个拜占庭服务器。

提出的方法

• 使用有界序列号以消除 SWSR 常规寄存器中的写操作顺序颠倒问题。
• 采用有界轮次标记方案（K = k² + 1），并结合下一周期函数，以确保写操作的全序性。
• 通过组合序列号与轮次比较，构建一个实际稳定的 SWSR 原子寄存器。
• 通过使用 m 个 SWMR 原子寄存器的副本（每个写者附带时间戳）扩展为 MWMR 原子寄存器。
• 在读操作期间，使用最大轮次谓词并借助进程 ID 进行冲突解决。
• 依赖先进先出（FIFO）且可靠的通信链路，并假设无消息丢失、重复或损坏。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在具有瞬时故障的异步拜占庭消息传递系统中构建一个自稳定的原子寄存器？
• RQ2 如何在不依赖写操作静默状态的前提下消除写操作顺序颠倒？
• RQ3 在异步系统与同步系统中，容忍 t 个拜占庭服务器所需的最少服务器数量是多少？
• RQ4 如何将单写者单读者寄存器扩展为支持多个写者和读者，同时保持原子性？
• RQ5 能否在不假设操作静默状态的前提下实现实际稳定化模型？

主要发现

• 所提出的算法在首次写操作后即实现稳定，实现了在拜占庭异步系统中的实际稳定化。
• 该构造在异步系统中可容忍最多 t < n/8 个拜占庭服务器，在同步系统中可容忍最多 t < n/3 个拜占庭服务器。
• 使用有界序列号和基于轮次的标记法可确保正确的写操作顺序并防止顺序颠倒。
• 该算法避免了以往稳定化拜占庭常规寄存器所必需的写操作静默假设。
• MWMR 原子寄存器通过使用 m 个 SWMR 原子寄存器副本（每个写者附带时间戳）和基于轮次的协调机制构建。
• 即使拜占庭服务器在短时间内违反一致性，系统在瞬时故障后仍能稳定到正确行为。