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Byzantine fault-tolerant confidentiality

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ByzantineFault-TolerantConfidentiality

JianYinArunVenkataramaniJean-PhillipeMartinLorenzoAlvisiMikeDahlin

1Introduction

Astheworldbecomesincreasinglyinterconnected,moreand

moreimportantservicessuchasbusinesstransactionsarede-

ployedasaccessanywhereservices–servicesthatareac-

cessiblebyremotedevicesthroughtheInternetandmobile

networks.Suchservicesoftenmustaccessconfidentialdata

toprovideservice.Forexample,anonlinebankservicemust

accessauser’scheckingaccounttoprocessanonlinetrans-

ferrequest.Insuchascenario,guaranteesofavailability,

integrity,andconfidentialityareessential.Byavailability,

wemeanthatservicesmustprovideservice24/7withoutin-

terruption.Byintegrity,wemeanthatservicesmustprocess

clients’requestscorrectly.Byconfidentiality,wemeanthat

servicesmustrestrictwhoseeswhatdata.

Unfortunately,softwareforprovidingaccessanywhereser-

vicesmaycontainbugs,andhackersmayexploitthesebugs

todisruptserviceorstealconfidentialdata.Onesolutionis

toeliminatebugsbyusingbettersoftwareengineeringprac-

ticeorformalmethods[12].However,thecomplexityofreal

worldsystemsandapplicationsoftwaremakesitdifficultto

producebug-freeimplementationswithexistingtechniques.

Apromisingapproachistouseredundancytohardenser-

vicesagainstbugs.AtraditionalByzantinefault-tolerant

(BFT)systemrunsdifferentimplementationsofthesame

serviceonseveralreplicasandensuresthatcorrectcomputa-

tionisperformedbyenoughcorrectreplicastomaskincor-

rectreplicas[1,2,4,14,15,16,17].Recentresearchhas

shownthatBFTsystemscanbepracticalforseveralimpor-

tantservicesastheycanbeimplementedwithlowoverheads

comparedtotheunreplicatedservices[3].

However,althoughtraditionalBFTsystemsimproveavail-

abilityandintegritythroughredundancy,existingBFTar-

chitecturesmakesuchsystemsmorepronetocompromising

confidentiality.InatraditionalBFTsystem,replicassendall

repliesdirectlytoclients.Thus,ifahackermanagestocom-

promiseoneofthereplicas,hecanstealconfidentialdata.

Moreover,intraditionalBFTsystems,thereisafundamen-

taltradeoffbetweenincreasingavailabilityandintegrityon

onehandandstrengtheningconfidentialityontheother.BFT

systemsuseseveralreplicastoprovideavailability,basedon

thereasoningthatthereplicasaredifferentanditisthere-

foreunlikelythattheyallfailsimultaneously.However,be-

causeitissufficientforanattackertocompromiseasinglereplica,thisapproachalsoincreasesthechancethatatleast

onereplicacontainsanexploitablebug,allowingtheattacker

togainaccesstotheconfidentialdatathattheserviceuses.

Thispaperdiscusshowtouseredundancytosimultaneously

improveavailability,integrity,andconfidentiality.Wepro-

poseanarchitectureforsuchasystem-ConfidentialBFT

(CBFT).InCBFT,servicereplicasconnecttoa“privacy

firewall”andcansendmessagestotheoutsideworldonly

throughit.Thefirewallrunsamajorityvotingalgorithmjust

liketheclientsofatraditionalBFTsystemandfiltersout

faultymessagesthatmaycontainconfidentialdata.

Thisapproachhasseveraladvantages,stemmingfromthe

factthattheprivacyfirewallisaseparatecomponentfrom

thereplicatedservice.Thefirstadvantageissimplythegen-

eralityoftheapproach:sincevirtuallyallreplicatedservices

canbemodelledasareplicatedstatemachine,theprivacy

firewallcanprotectalmostanyreplicatedservicethatexists

today.Second,oncebuilt,aprivacyfirewallcanveryeasily

beusedforavarietyofreplicatedservices,withonlyminor

modificationtotheservice(ornoneatall).Thus,CBFT’s

privacyfirewallcanbeadaptedtolegacyapplications,pro-

vidingthemwithconfidentialityafterthefact.Thethirdad-

vantageisthattheeffortspentintobuildingtheprivacyfire-

wallcanbeamortizedoverseveralreplicatedservices:once

theprivacyfirewallisbuilt,itcaneasilybeduplicatedtopro-

tectadditionalservices.Thisversatilitymakesitimaginable

thatcompanieswouldbuildprivacyfirewallsandthensell

turnkeysolutions.

Thefirewallsystemhastobecorrecttoprovideconfidential-

ity.Eventhoughthefirewallissimple,buildingaformally

verifiedbug-freefirewallmaynotbefeasible.However,re-

dundancycanbeusedtoimprovetherobustnessofthefire-

wall.Suchafirewallsystemconsistsofagroupofnodesthat

areinterconnectedsuchthatanypathfromaservicereplica

totheoutsideworldislongerthanathreshold,.Thus,any

communicationfromanyservicereplicatotheoutsideworld

mustgothroughatleaseonecorrectnodeaslongasthere

arefewerthanfaultyfirewallnodes.Moreover,acor-

rectnodeinafirewallchaincanindependentlyensurethat

auniquesequenceofrepliesresultsfromasequenceofre-

questsjustasifthissequenceofrequestswereprocessedby

asinglecorrectserver.Thus,faultymachinesareprevented

fromusingsteganographytoleakconfidentialdata.

Insummary,thispaperinvestigateshowtobuildavailable,

high-integrity,andconfidentialaccessanywhereservicesby

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PBFT共识算法详解

PBFT共识算法详解

PBFT共识算法详解

PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance，实⽤拜占庭容错）

⼀.概述

拜占庭将军问题最早是由 Leslie Lamport 在 1982 年发表的论⽂《The Byzantine Generals Problem 》提出的， 他证明了在将军总数⼤于 3f ，背叛者为f 或者更少时，忠诚的将

军可以达成命令上的⼀致，即 3f+1<=n 。算法复杂度为 O(nf+1) 。⽽ Miguel Castro 和 Barbara Liskov 在1999年发表的论⽂《 Practical Byzantine Fault Tolerance 》中⾸次提出

PBFT算法，该算法容错数量也满⾜ 3f+1<=n，也即最⼤的容错作恶节点数f=(n-1)/3。算法复杂度为 O(n2)，将系统的复杂度由指数级别降低为多项式级别，使得拜占庭容错算法在

实际系统应⽤中变得可⾏。

那么为什么PBFT算法的容错数量满⾜3f+1<=n呢？

因为 PBFT 算法的除了需要⽀持容错故障节点之外，还需要⽀持容错作恶节点。假设集群节点数为 N，有问题的节点为 f。有问题的节点中，可以既是故障节点，也可以是作恶

节点，或者只是故障节点或者只是作恶节点。那么会产⽣以下两种极端情况：

1. 这f 个有问题节点既是故障节点，⼜是作恶节点，那么根据少数服从多数的原则，集群⾥正常节点只需要⽐f个节点再多⼀个节点，即 f+1 个节点，确节点的数量就会⽐故障

节点数量多，那么集群就能达成共识，即总节点数为f+(f+1)=n，也就是说这种情况⽀持的最⼤容错节点数量是 (n-1)/2。

2. 故障节点和作恶节点都是不同的节点。那么就会有 f 个作恶节点和 f 个故障节点，当发现节点是作恶节点后，会被集群排除在外，剩下 f 个故障节点，那么根据少数服从多

数的原则，集群⾥正常节点只需要⽐f个节点再多⼀个节点，即 f+1 个节点，确节点的数量就会⽐故障节点数量多，那么集群就能达成共识。所以，所有类型的节点数量加

stellar-consensus-protocol

stellar-consensus-protocol

TheStellarConsensusProtocol:

AFederatedModelforInternet-levelConsensus

DavidMazières

StellarDevelopmentFoundation

April8,2015DRAFT

Abstract

ThispaperintroducesfederatedByzantineagreement(FBA),anewap-proachtoconsensus.FBA’srobustnessstemsfromquorumslices,individualtrustdecisionsmadebyeachnodethattogetherdeterminesystem-levelquo-rums.Slicesbindthesystemtogethermuchthewayindividualnetworks’peeringandtransitdecisionsnowunifytheInternet.WealsopresenttheStellarConsensusProtocol(SCP),aconstructionforFBA.LikeallByzantineagreementprotocols,SCPmakesnoassumptionsabouttherationalbehaviorofattackers.UnlikepriorByzantineagreementmodels,whichpresupposeaunanimouslyacceptedmembershiplist,paredtodecentralizedproofof-workandproof-of-stakeschemes,SCPhasmod-estcomputingandfinancialrequirements,loweringthebarriertoentryandpotentiallyopeningupfinancialsystemstonewparticipants.

经典拜占庭容错共识机制

经典拜占庭容错共识机制

经典拜占庭容错共识机制

经典拜占庭容错共识机制是一种分布式系统中确保一致性的关键算法。它起源于解决拜占庭将军问题的研究，其中将军们必须就进攻

或撤退进行共识，而某些将军可能是不可靠的，可能传递错误的信息，

甚至可能是敌对的。

在拜占庭容错共识机制中，每个节点都扮演着将军的角色。这些

节点通过互相通信来达成共识，并决定如何行动。为了应对不可靠和敌对的节点，算法首先需要节点之间进行消息传递，并采取一定的策

略来判断消息的真实性和正确性。

一种常用的拜占庭容错共识机制是拜占庭将军算法。该算法要求

节点之间进行多轮的消息交互，以确定大多数节点的决策，并最终达

成共识。在每一轮中，节点将自己的决策发送给其他节点，并收集其他节点的决策。然后，节点需要根据收到的决策进行判断，筛选出可

靠的节点，并通过多数投票确定最终的决策。

拜占庭容错共识机制的关键在于节点之间的相互信任和信息传递

的可靠性。为了确保共识的正确性，算法需要满足一定的安全性条件，

如“一致性”和“价值一致性”。一致性要求所有节点都达成相同的决策，而价值一致性要求最终的决策必须是被绝大多数节点接受的。

对于故障节点或敌对节点的处理，拜占庭容错共识机制通过多数

投票来实现。多数投票是指选择具有最高票数的决策作为最终的共识

结果。通过这种机制，节点能够排除掉少数错误或恶意的节点，确保

系统的安全性和正确性。 总结起来，经典拜占庭容错共识机制是一种通过节点之间的交互

和多数投票来达成共识的算法。它可以应对不可靠和敌对节点的情况，

确保分布式系统的一致性。在实际应用中，拜占庭容错共识机制被广

泛应用于区块链技术、分布式数据库等领域，为系统的可靠性和安全

性提供了重要保障。

一种基于信用的拜占庭容错共识算法

一种基于信用的拜占庭容错共识算法

一种基于信用的拜占庭容错共识算法

黄保华;屈锡;郑慧颖;熊庭刚

【期刊名称】《信息网络安全》

【年(卷),期】2022()4

【摘 要】实用性拜占庭容错共识算法(PBFT)在联盟链中应用广泛,但存在时延高、吞吐量低和可扩展性差等问题。针对这些问题,文章提出一种基于信用的拜占庭容错共识算法(CBFT)。首先,增设候补节点集合,实现共识节点的动态加入和退出;其次,引入信用评估方案,根据共识节点在共识过程中的完成情况计算其信誉值,用信誉值评估节点的信用;最后,设计节点替换方案,当某个共识节点的信誉值低于设置的阈值时,用候补节点替换此节点,减少低信誉节点的共识参与率。仿真实验结果表明,与PBFT算法相比,CBFT算法共识时延更低,吞吐量和算法效率更高。

【总页数】7页(P86-92)

【作 者】黄保华;屈锡;郑慧颖;熊庭刚

【作者单位】广西大学计算机与电子信息学院;中国船舶重工集团公司第七○九研究所

【正文语种】中 文

【中图分类】TP309

【相关文献】 1.基于投票机制的拜占庭容错共识算法2.基于树形拓扑网络的实用拜占庭容错共识算法3.基于演化博弈的理性拜占庭容错共识算法4.基于角色管理的实用拜占庭容错共识算法5.基于可验证随机函数和BLS签名的拜占庭容错共识算法

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