Hochskalierbare und vollständig asynchrone BFT-Konsensus-Lösung JUMBO

Core Concepts

JUMBO ist eine hochskalierbare und vollständig asynchrone BFT-Konsensus-Lösung, die die Leistung bestehender Protokolle wie Dumbo-NG und FIN deutlich übertrifft, insbesondere in Umgebungen mit vielen Teilnehmern und begrenzter Bandbreite.

Abstract

Der Artikel präsentiert zwei neue asynchrone BFT-Konsensus-Protokolle, FIN-NG und JUMBO, die die Skalierbarkeit bestehender Lösungen deutlich verbessern.
FIN-NG:

Adaptiert den signaturfreien Ansatz von FIN in das Paradigma paralleler Broadcasts und Abstimmungen.
Vermeidet kostspielige Erasure-Code-Berechnungen in den Broadcasts durch eine abgeschwächte Form der zuverlässigen Broadcast.
Verbessert die Qualität des MVBA-Protokolls, um die Lebensfähigkeit zu gewährleisten.
JUMBO:

Ist eine skalierbare Implementierung von Dumbo-NG, die die Authentifikator-Komplexität asymptotisch reduziert.
Nutzt Informationsdispersionstechniken, um die Anzahl der zu übertragenden Quorumzertifikate (QCs) von O(n) auf eine erwartete konstante Anzahl zu senken.
Führt eine "Fairness"-Erweiterung ein, um zu verhindern, dass der Angreifer einen überwiegenden Anteil der Transaktionen im Ausgabeblock kontrolliert.
Umfangreiche Benchmarks zeigen, dass JUMBO in Umgebungen mit vielen Teilnehmern und begrenzter Bandbreite deutlich leistungsfähiger ist als der Stand der Technik, mit bis zu 5-fach höherem Durchsatz und 70-fach niedrigerer Latenz.

Stats

Wenn die Knotenzahl n von 16 auf 256 steigt, verschlechtern sich die Spitzenwerte von Dumbo-NG und Tusk für Latenz und Durchsatz um 2 bzw. 3 Größenordnungen.
Bei 196 Knoten machen die Signaturverifizierungen 66,6% der CPU-Zeit von Dumbo-NG aus, und die Kommunikation der Quorumzertifikate 40% der Gesamtkommunikation.
Bei 196 Knoten benötigt FIN 20,58 Sekunden pro Block, wovon 67,2% auf Reed-Solomon-Decodierung entfallen.

Quotes

"Wenn die Knotenzahl n von 16 auf 256 steigt, verschlechtern sich die Spitzenwerte von Dumbo-NG und Tusk für Latenz und Durchsatz um 2 bzw. 3 Größenordnungen."
"Bei 196 Knoten machen die Signaturverifizierungen 66,6% der CPU-Zeit von Dumbo-NG aus, und die Kommunikation der Quorumzertifikate 40% der Gesamtkommunikation."
"Bei 196 Knoten benötigt FIN 20,58 Sekunden pro Block, wovon 67,2% auf Reed-Solomon-Decodierung entfallen."

Key Insights Distilled From

JUMBO

by Hao Cheng,Yu... at arxiv.org 03-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2403.11238.pdf

Deeper Inquiries

Wie könnte man die Leistung von JUMBO und FIN-NG in Umgebungen mit extrem begrenzter Bandbreite weiter verbessern?

Um die Leistung von JUMBO und FIN-NG in Umgebungen mit extrem begrenzter Bandbreite weiter zu verbessern, könnten folgende Maßnahmen ergriffen werden:

Effiziente Datenkomprimierung: Implementierung von effizienten Datenkomprimierungsalgorithmen, um die Größe der übertragenen Daten zu reduzieren und somit die Bandbreitennutzung zu optimieren.
Priorisierung von Daten: Priorisierung von Datenpaketen basierend auf ihrer Dringlichkeit und Bedeutung, um sicherzustellen, dass wichtige Informationen zuerst übertragen werden.
Optimierung der Netzwerkkommunikation: Implementierung von Protokollen zur effizienten Nutzung der begrenzten Bandbreite, z. B. durch Batch-Verarbeitung von Daten oder Reduzierung von Overhead bei der Kommunikation.
Caching-Mechanismen: Nutzung von lokalen Caches, um häufig verwendete Daten vorzuhalten und die Notwendigkeit wiederholter Übertragungen zu reduzieren.
Adaptive Datenübertragung: Implementierung von Mechanismen zur Anpassung der Datenübertragung basierend auf der verfügbaren Bandbreite, um eine optimale Leistung zu gewährleisten.

Welche zusätzlichen Sicherheitsgarantien könnten die vorgestellten Protokolle bieten, z.B. durch den Einsatz von Vertrauensanker oder hardwarebasierte Sicherheitsmaßnahmen?

Die vorgestellten Protokolle, JUMBO und FIN-NG, könnten zusätzliche Sicherheitsgarantien bieten, indem sie folgende Maßnahmen implementieren:

Vertrauensanker: Integration von Vertrauensankern zur Überprüfung der Integrität und Authentizität von Daten und Transaktionen, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Parteien auf das System zugreifen können.
Hardwarebasierte Sicherheitsmaßnahmen: Nutzung von hardwarebasierten Sicherheitsmodulen wie Secure Enclaves oder Hardware Security Modules (HSMs) zur sicheren Speicherung von Schlüsseln und zur Durchführung kryptografischer Operationen, um die Sicherheit des Systems zu erhöhen.
Zwei-Faktor-Authentifizierung: Implementierung von Zwei-Faktor-Authentifizierungsmethoden, um die Zugriffskontrolle zu stärken und sicherzustellen, dass nur autorisierte Benutzer auf das System zugreifen können.
End-to-End-Verschlüsselung: Einsatz von End-to-End-Verschlüsselung, um die Vertraulichkeit und Integrität der übertragenen Daten zu gewährleisten und diese vor unbefugtem Zugriff zu schützen.

Wie könnte man die Konzepte von JUMBO und FIN-NG auf andere Anwendungsfelder jenseits von Blockchain-Konsensus übertragen, um die Skalierbarkeit verteilter Systeme allgemein zu erhöhen?

Die Konzepte von JUMBO und FIN-NG könnten auf andere Anwendungsfelder außerhalb des Blockchain-Konsenses übertragen werden, um die Skalierbarkeit verteilter Systeme allgemein zu erhöhen, indem folgende Ansätze verfolgt werden:

Cloud Computing: Implementierung der Protokolle in Cloud-Computing-Plattformen, um die Effizienz und Skalierbarkeit von Cloud-Diensten zu verbessern.
IoT-Sicherheit: Integration der Protokolle in IoT-Systeme, um die Sicherheit und Skalierbarkeit von IoT-Geräten und -Netzwerken zu erhöhen.
Edge Computing: Anwendung der Protokolle im Edge Computing, um die Leistung und Skalierbarkeit von Edge-Geräten und -Anwendungen zu optimieren.
Kommunikationsnetzwerke: Nutzung der Protokolle in Kommunikationsnetzwerken, um die Sicherheit und Effizienz der Datenübertragung zu verbessern und die Skalierbarkeit des Netzwerks zu erhöhen.