Deutsche Forschungsgemeinschaft
Prof. Hans P. Reiser
Distributed Ledger Technologies (DLTs), oft auch als Blockchains bezeichnet, ermöglichen die Realisierung zuverlässiger und angriffsresilienter Dienste ohne zentrale Infrastruktur. Davon können vielfältige Anwendungen profitieren, wie z. B. Smart Contracts, industrielle Lieferketten und verteilte Speicherdienste. Die verbreiteten "Proof-of-Work"-Mechanismen für DLTs leiden jedoch unter hohen Latenzen von Operationen und enormen Energiekosten. Byzantinisch fehlertolerante (BFT) Einigungsalgorithmen stellen eine potentiell bessere Alternative zu Proof-of-Work dar. Jedoch bringen aktuelle BFT-Protokolle auch Herausforderungen mit sich, die ihre praktische Verwendung in Produktivsystemen noch einschränken.
Dieses Forschungsvorhaben adressiert diese Herausforderungen, indem es
Beim Thema Skalierbarkeit geht es darum, praxistaugliche Lösungen zu finden, die auch Herausforderungen wie Wiederanlauf nach größeren Ausfällen oder Upgrades sowie Rekonfigurationen zur Laufzeit berücksichtigen. Auch möchten wir eine resiliente Kommunikationsschicht konzipieren, die die Wahl einer geeigneten Kommunikationstopologie vom eigentlichen BFTEinigungsalgorithmus entkoppelt und somit dessen Komplexität reduziert. Dies soll durch die Verwendung von vertrauenswürdigen Hardwarekomponenten unterstützt werden. Anknüpfend wollen wir an der Kombination dieser Konzepte mit kryptographischen Primitiven
forschen, um die Skalierbarkeit weiter zu verbessern.
Mit Hilfe von systematischen Modellierungstechniken möchten wir die Effizienz von skalierbaren, komplexen BFT-Protokollen (beispielsweise hinsichtlich Durchsatz und Latenz von Operationen) schon vor einem Deployment analysieren können, wenn man die Systemgröße, Rechenleistung von Knoten und grundlegende Eigenschaften der Kommunikationsverbindungen kennt. Auch möchten wir an robusten Gegenmaßnahmen forschen, die in groß-skalierbaren Blockchain-Systemen helfen, gezielte Angriffe abzuwehren.
Das dritte Ziel ist es, die systematische und valide Umsetzung in ein praktisches System zu unterstützen, gegliedert in einem konstruktiven, modularen Ansatzes, bei dem ein validierbares BFT-Protokoll aus kleineren, validierbaren Bausteinen komponiert wird, die Inkorporation automatisierter Testverfahren auf Grundlage eines heuristischen Algorithmus, der den komplexen Suchraum von Fehlverhalten in BFTSystemen beherrschbarer macht und ein Werkzeug für automatisiertes Deployment mit einhergehendem Benchmarking und Stress-Testing in einem groß-skalierten DLT-System.
C. Berger, L. Rodrigues, H. P. Reiser, V. Cogo and A. Bessani, "Chasing Lightspeed Consensus: Fast Wide-Area Byzantine Replication with Mercury" in The 25th ACM/IFIP International Middleware Conference (MIDDLEWARE 24) , New York, NY, USA: Association for Computing Machinery, 2024.
C. Berger, S. B. Toumia and H. P. Reiser, "Exploring Scalability of BFT Blockchain Protocols through Network Simulations" , Formal Aspects of Computing , 2024. Association for Computing Machinery.
DOI: 10.1145/3689343
C. Berger, S. B. Toumia and H. P. Reiser, "Scalable Performance Evaluation of Byzantine Fault-Tolerant Systems Using Network Simulation" in 2023 IEEE 28th Pacific Rim International Symposium on Dependable Computing (PRDC) , 2023. pp. 180-190.
C. Berger, S. Schwarz-Rüsch, A. Vogel, K. Bleeke, L. Jehl, H. P. Reiser and R. Kapitza, "Sok: Scalability techniques for BFT consensus" in 2023 IEEE International Conference on Blockchain and Cryptocurrency (ICBC) , 2023. pp. 1-18.
S. Ben Toumia, C. Berger and H. P. Reiser, "Evaluating Blockchain Application Requirements and their Satisfaction in Hyperledger Fabric" in Proc. of the 22nd Int. Conf. on Distributed Applications and Interoperable Systems (DAIS) , 2022.
C. Berger, H. P. Reiser and A. Bessani, "Making Reads in BFT State Machine Replication Fast, Linearizable, and Live" in Proc. of the 40th IEEE International Symposium on Reliable Distributed Systems (SRDS) , 2021.
