High-performance Asynchronous Byzantine Fault Tolerance Consensus Protocol

Abstract

For å imøtekomme nye og banebrytende blockchain-baserte systemer innen Supply Chain Management (SCM) og Internet of Things (IoT), så er det et behov for konsensus mekanismer som kan sikre høy transaksjonsgjennomstrømning og sikkerhet, på tross av varierende nettverkskvalitet. Honeybadger var den første praktiske, asynkrone Byzantine Fault Tolerance (BFT) konsensus protokollen, som klarte å oppnå høy skalerbarhet og sikkerhet, uten å gjøre antakelser om synkroniteten til det underliggende nettverket. I løpet av de siste årene har flere nye, individuelle forbedringer blitt foreslått, som alle tilbyr teknikker som kan gi ytterligere ytelse. I en interesse av å forbedre nåværende state-of-the-art innen asynkrone konsensus protokoller, så søker vi å konsolidere de nylige utviklingene i en enkelt konsensus protokoll, som sammen med nye, egne innovasjoner, vil kunne gi lavere ytelseskostnader og økt skalerbarhet, sammenlignet med tidligere implementasjoner.

Vi presenterer en konsensus protokoll, betegnet Asynchronous BFT (ABFT), med nye innovasjoner i introduksjonen av terskel ECDSA signaturer, optimalisering av erasure koding parametre, og ytterligere implementasjon-nivå optimaliseringer. Vi implementerer også en prototype av ABFT, og evaluerer den i større skala i et globalt nettverk, i tillegg til i et nettverk med asymmetrisk nettverk nedbrytning. Våre resultater viser at ABFT tilbyr vesentlig høyere ytelse enn tidligere implementasjoner. Av spesiell interesse, så evalueres den til å ha fundamentalt lavere ytelseskostnader, og høyere skalerbarhet, med transaksjonsgjennomstrømning på opp til 38.700 transaksjoner per sekund. Ytterligere, så viser vi empirisk at ABFT ikke blir påvirket av asymmetrisk nettverk nedbrytning, innenfor feiltoleransen. Utover feiltoleransen så synker ytelsen merkbart, men både integritet og sikkerhet er ivaretatt, uten behov for protokollendringer eller ytterligere konfigurasjon.

In response to new and innovating blockchain-based systems within Supply Chain Management (SCM) and Internet of Things (IoT), there is a need for consensus mechanisms which can provide high transaction throughput and security, despite varying network quality. Honeybadger was the first practical, asynchronous Byzantine Fault Tolerance (BFT) consensus protocol, achieving high scalability and robustness without making any timing assumptions regarding the network. Recent years have brought with it additional, individual improvements, providing techniques which can enable additional performance benefits. In an endeavor to improve upon the current state-of-the-art within asynchronous consensus protocols, we seek to consolidate these improvements into a single consensus protocol, while providing additional innovations of our own, lowering computational overhead and increasing scalability.

We present a consensus protocol, denoted Asynchronous BFT (ABFT), providing new contributions in the introduction of threshold ECDSA signatures, optimization of erasure coding parameters, and additional implementation-level optimizations. We also implement a prototype of ABFT and evaluate its performance at scale in a global WAN network, as well as in a network affected by asymmetric network degradation. Our results show that ABFT provide considerably higher performance than previous implementations. In particular, the prototype is evaluated to have significantly lower computational overhead, and provide greater scalability, reaching up to 38.700 transactions per second in throughput. Furthermore, we empirically show ABFT to be unaffected by asymmetric network degradation, within the fault threshold. Once past the threshold, performance degrades, but termination and security are guaranteed, without need for additional configuration.