BFT2Chain: Entwurf und Validierung skalierbarer Byzantinisch fehlertoleranter Einigungsalgorithmen für Blockchains

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rüdiger Kapitza; Professor Dr. Hans P. Reiser
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446811880

Distributed Ledger Technologies (DLTs), oft auch als Blockchains bezeichnet, ermöglichen die Realisierung zuverlässiger und angriffsresilienter Dienste ohne zentrale Infrastruktur. 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 (1) die Skalierbarkeit von BFT-Protokollen verbessert, ohne ihre Resilienz einzuschränken, (2) durch Modellierung die zu erwartende Performanz und das zeitliche Verhalten der Protokolle auch unter Angriffen und in Abhängigkeit der Rahmenparameter des Protokolls vorhersehbarer macht, sowie (3) den Entwurfsprozesses von validen, automatisiert prüfbaren BFT-Systemen von Spezifikation bis hin zum Einsatz in einer Blockchain-Infrastruktur unterstützt. 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 BFT-Einigungsalgorithmus 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 Ansatz, 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 BFT-Systemen beherrschbarer macht und ein Werkzeug für automatisiertes Deployment mit einhergehendem Benchmarking und Stress-Testing in einem groß-skalierten DLT-System.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen