Протокол консенсуса Stellar
Аннотация
Международные платежи медленны и дороги, отчасти из-за многошаговой маршрутизации платежей через разнородные сети. банковские системы. Stellar — новая глобальная платежная сеть который может напрямую переводить цифровые деньги в любую точку мира. мир за секунды. Ключевое нововведение — безопасная транзакция механизм через ненадежных посредников, используя новый Протокол византийского соглашения под названием SCP. С помощью SCP каждый учреждение указывает другие учреждения, в которых можно остаться по согласию; благодаря глобальной взаимосвязанности финансовой системы, вся сеть затем соглашается на атомную транзакции, охватывающие произвольные учреждения, без риска платежеспособности или валютного курса со стороны промежуточных эмитентов активов или маркет-мейкеры. Мы представляем модель, протокол и формальная проверка; описать платежную сеть Stellar; и, наконец, оценить Stellar эмпирически с помощью тестов и наш опыт нескольких лет производственного использования. Концепции CCS • Безопасность и конфиденциальность → Распределенный безопасность систем; • Организация компьютерных систем → Одноранговые архитектуры; • Информационные системы → Электронный перевод средств. Ключевые слова blockchain, BFT, кворумы, выплаты Справочный формат ACM: Марта Лохава, Джулиано Лоса, Дэвид Мазьер, Грэйдон Хоар, Николас Бэрри, Эли Гафни, Джонатан Джоув, Рафал Малиновский, Джед Маккалеб. 2019. Быстрые и безопасные глобальные платежи с Stellar. В СОСП ’19: Симпозиум по принципам операционных систем, 27–30 октября, 2019, Хантсвилл, Онтарио, Канада. ACM, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США, 17 страниц. https://doi.org/10.1145/3341301.3359636
Введение
Международные платежи, как известно, медленные и дорогостоящие [32]. Подумайте о непрактичности отправки 0,50 доллара США из США в *Галуа, Инк. † Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе Разрешение на создание цифровых или печатных копий всей или части этой работы для использование в личных целях или в классе предоставляется бесплатно при условии, что копии не изготовлены или распространены с целью получения прибыли или коммерческой выгоды, и что копии несут это уведомление и полная цитата на первой странице. Авторские права на компоненты этой работы, принадлежащей не ACM, необходимо уважать. Абстрагирование с помощью кредит разрешен. Копировать иным образом или повторно публиковать, размещать на серверах или повторное распространение по спискам требует предварительного специального разрешения и/или платы. Запрос разрешения от [email protected]. SOSP '19, 27–30 октября 2019 г., Хантсвилл, Онтарио, Канада © 2019 Ассоциация вычислительной техники. ISBN ACM 978-1-4503-6873-5/19/10...$15,00 https://doi.org/10.1145/3341301.3359636 Мексика, две соседние страны. Конечные пользователи платят почти 9 долларов. в среднем такая передача [32] и двустороннее соглашение при посредничестве центральных банков стран может лишь сократить стоимость базового банка составляет 0,67 доллара США за единицу [2]. Помимо сборов, обычно учитывается задержка международных платежей в сутках, что делает невозможным быстрое получение денег за границу в чрезвычайные ситуации. В странах, где банковская система не работают или не обслуживают всех граждан, или там, где плата невыносима, люди прибегают к отправке платежей автобусом [38], лодка [19], а иногда и Bitcoin [55], и все это несут риск, задержки или неудобства. Несмотря на то, что затраты на соблюдение требований будут всегда, данные свидетельствуют о том, что значительная сумма теряется из-за отсутствия конкуренции [21], что усугубляется неэффективными технологиями. Где люди могут внедрять инновации, цены и задержки снижаются. Например, денежные переводы с банковских счетов во втором квартале 2019 года стоили в среднем 6,99%, тогда как показатель мобильных денег составил всего 4,88% [13]. Открытая глобальная платежная сеть, привлекающая инновации и конкуренция со стороны небанковских организаций может привести к снижению затраты и задержки на всех уровнях, включая соответствие [83]. В этом документе представлен Stellar, платеж на основе blockchain. сеть, специально созданная для содействия инновациям и конкуренция в международных платежах. Stellar — первый систему для достижения всех трех следующих целей (в рамках новая, но эмпирически обоснованная «интернет-гипотеза»): 1. Открытое членство. Любой может выпускать облигации, обеспеченные валютой. цифровые token, которыми могут обмениваться пользователи. 2. Окончательность, обеспечиваемая эмитентом. Эмитент token может предотвратить транзакции в token от отмены или отмены. 3. Атомарность между эмитентами. Пользователи могут атомарно обмениваться и торгуйте token от нескольких эмитентов. Достичь первых двух несложно. Любая компания может в одностороннем порядке предложить такой продукт, как Paypal, Venmo, WeChat. Pay или Alipay и обеспечьте окончательность платежей в виртуальные валюты, которые они создали. К сожалению, атомарные транзакции между этими валютами невозможны. Фактически, несмотря на то, что Paypal приобрела материнскую компанию Venmo в 2013 году конечные пользователи по-прежнему не могут отправлять Venmo долларов пользователям Paypal [78]. Только в последнее время торговцы могут даже принять оба с одной интеграцией. Цели 2 и 3 могут быть достигнуты в закрытой системе. В частности, в ряде стран действуют эффективные внутренние платежные системы. сети, обычно контролируемые регулирующим органом, пользующимся универсальным доверием. Однако членство ограничивается закрытым набор зарегистрированных банков, а сети ограничены досягаемость регулирующего органа страны.SOSP '19, 27–30 октября 2019 г., Хантсвилл, Онтарио, Канада Лохава и др. Цели 1 и 3 были достигнуты за добытые blockchains, особенно в форме ERC20 tokens на Ethereum [3]. Основная идея этих blockchain — создать новую криптовалюту, с помощью которой можно будет вознаграждать людей за поселение. транзакции трудно отменить. К сожалению, это означает, что эмитенты token не контролируют завершенность транзакций. Если программное обеспечение ошибки приводят к реорганизации истории транзакций [26, 73], или когда трофеи от обмана людей превышают стоимость реорганизации истории [74, 97], эмитенты могут нести ответственность за tokens они уже выкуплены за реальные деньги. Stellar blockchain имеет два отличительных свойства. Во-первых, он изначально поддерживает эффективные рынки между tokens от разных эмитентов. В частности, любой может выдать token, blockchain предоставляет встроенную книгу заказов для торговли между любой парой token, и пользователи могут осуществлять платежи по пути которые атомарно торгуют несколькими валютными парами, в то время как гарантия сквозной лимитной цены. Во-вторых, Stellar представляет новое византийское соглашение. протокол SCP (Stellar Протокол консенсуса), посредством которого Эмитенты token назначают определенные серверы validator для обеспечения соблюдения завершенность сделки. Пока никто не скомпрометирует validator эмитента (а также лежащие в его основе цифровые подписи и криптографические hashе остаются в безопасности), эмитент точно знает, какие транзакции произошли, и избегает риска убытков от blockchain истории реорганизации. Ключевая идея SCP заключается в том, что большинство эмитентов активов получают выгоду от ликвидные рынки и хотят облегчить атомарные транзакции с другими активами. Следовательно, администраторы validator настраивают свои серверы, чтобы договориться с другими validator о точном история всех транзакций по всем активам. validator v1 может быть настроено на согласие с версией 2, или v2 можно настроить на согласие с v1 или оба могут быть настроены для согласования друг с другом; во всех случаях ни один из них не будет сохранять историю транзакций до тех пор, пока он знает, что другой не может принять участие в другой истории. По транзитивности, если v1 не может не согласиться с v2, а v2 не может не согласиться с v3 (или наоборот), v1 не может не согласиться с v1. v3, независимо от того, представляет ли v3 активы, о которых v1 вообще слышал оф. Предполагая, что эти отношения соглашения транзитивно подключить всю сеть, SCP гарантирует глобальное соглашение, что делает его глобальным византийским соглашением протокол с открытым членством. Мы называем это новое предположение о связности гипотезой Интернета и отмечаем, что оно касается как «Интернета» (который всем понятен, означают единственную крупнейшую транзитивно подключенную IP-сеть) и устаревшие международные платежи (которые выполняются поэтапно неатомарны, но используют транзитивно связанную глобальную сеть финансовых учреждений). Stellar используется с сентября 2015 г. Чтобы длина blockchain оставалась управляемой, система запускает SCP с интервалом в 5 секунд — быстро по стандартам blockchain, но гораздо медленнее, чем типичное применение византийского соглашения. Хотя основным использованием были платежи, Stellar также доказанная привлекательность для неденежных взаимозаменяемых token, которые приносят пользу с непосредственных вторичных рынков (см. раздел 7.1). В следующем разделе обсуждаются соответствующие работы. В разделе 3 представлены SCP. Раздел 4 описывает нашу формальную проверку SCP. В разделе 5 описан уровень оплаты Stellar. Раздел 6 касается наш опыт развертывания и извлеченные уроки. В разделе 7 оценивается система. Раздел 8 завершается.
Stellar консенсусный протокол
Протокол консенсуса Stellar (SCP) основан на кворуме. Протокол Византийского соглашения с открытым членством. Кворумы возникают в результате объединения решений по локальной конфигурации отдельных узлов. Однако узлы распознают только кворумам, к которым они принадлежат сами, и только после изучение локальных конфигураций всех остальных членов кворума. Одним из преимуществ этого подхода является то, что SCP по своей сути допускает неоднородные представления о том, какие узлы существуют. Следовательно, узлы могут присоединяться и выходить в одностороннем порядке без необходимости Протокол «просмотра изменений» для координации членства. 3.1 Федеративное византийское соглашение Традиционная проблема византийского соглашения состоит из замкнутая система из N узлов, часть из которых неисправна и может вести себя произвольно. Узлы получают входные значения и обмениваются сообщения для выбора выходного значения среди входных. Протокол византийского соглашения безопасен, когда никакие два узла с хорошим поведением не выдают разные решения и уникальный решение было действительным вкладом (для некоторого определения действительного согласованногоSOSP '19, 27–30 октября 2019 г., Хантсвилл, Онтарио, Канада Лохава и др. заранее). Протокол активен, если он гарантирует, что каждый честный узел в конечном итоге выдает решение. Обычно протоколы предполагают N = 3f + 1 для некоторого целого числа. f > 0, то гарантируйте безопасность и некоторую форму жизнеспособности, поэтому пока не более f узлов неисправны. На каком-то этапе этих протоколы, узлы голосуют за предложенные значения и предложение получение 2f + 1 голосов, называемое кворумом голосов, становится решение. При N = 3f + 1 узлах любые два кворума размер 2f+1 перекрывается не менее чем в f+1 узлах; даже если f из этих перекрывающиеся узлы неисправны, два кворума имеют как минимум общий доступ один исправный узел, предотвращающий противоречивые решения. Однако этот подход работает только в том случае, если все узлы согласны с что представляет собой кворум, что невозможно в SCP, где два узла могут даже не знать о существовании друг друга. При использовании SCP каждый узел v в одностороннем порядке объявляет наборы узлов, называемые его срезами кворума, такие, что (a) v считает, что если все члены среза договариваются о состоянии системы, затем они правы, и (b) v считает, что хотя бы один из его срезов будет доступен для своевременного предоставления информации о состояние системы. Назовем полученную систему, состоящую узлов и их срезов, Федеративное Византийское соглашение (ФБА). Как мы увидим далее, возникает система кворума. из срезов узлов. Неформально, срезы узла FBA выражают, с кем узел требует согласия. Например, для узла может потребоваться соглашение с 4 конкретными организациями, в каждой из которых имеется по 3 узла; чтобы учесть время простоя, он может установить свои срезы как все наборы состоящий из 2 узлов от каждой организации. Если это «требует отношение «согласие с» транзитивно связывает любые два узла, мы получаем глобальное соглашение. В противном случае мы можем получить расхождение, но только между организациями, ни одна из которых не требует соглашение с другим. Учитывая топологию сегодняшней финансовой системы, мы предполагаем, что широкая конвергенция будет продолжать создавать единую историю реестра, которую люди называют «сеть Stellar», как мы говорим об Интернете. Кворумы возникают из срезов следующим образом. Каждый узел определяет его кворум распределяется в каждом отправляемом им сообщении. Пусть S будет набор узлов, из которых исходил набор сообщений. А узел считает, что набор сообщений достиг кворума порог, когда каждый член S имеет срез, включенный в S. По построению такой набор S, если он единогласен, удовлетворяет условию требования соглашения каждого из его участников. Неисправный узел может рекламировать фрагменты, созданные для изменения того, что узлы с хорошим поведением учитывают кворумы. Для анализа протокола мы определяем кворум в FBA как непустой набор S узлов, охватывающий хотя бы один срез кворума каждый исправный член. Эта абстракция обоснована, как и любое множество сообщений, якобы представляющих единогласный кворум на самом деле так и есть (даже если оно содержит сообщения от неисправных узлов), и это точно, когда S содержит только узлы с хорошим поведением. В в этом разделе мы также предполагаем, что срезы узлов не изменяются. Тем не менее, наши результаты переносятся на случай меняющегося среза. потому что система, в которой меняются слайсы, не менее безопасна, чем система с фиксированными срезами, в которой срезы узла состоят из всех срезы, которые он когда-либо использует в случае меняющихся срезов (см. теорему 13 в [68]). Как поясняется в разделе 4, жизнеспособность зависит от хорошо работающие узлы со временем удаляют ненадежные узлы из своих кусочков. Поскольку разные узлы имеют разные требования к соглашению, FBA исключает глобальное определение безопасности. Мы говорим исправные узлы v1 и v2 переплетаются, когда каждый кворум v1 пересекает каждый кворум v2 хотя бы в одном исправный узел. Протокол FBA может гарантировать соглашение только между переплетенными узлами; раз SCP так делает, то это его вина допуск по безопасности оптимален. Гипотеза Интернета, лежащий в основе дизайна Stellar, утверждает, что узлы заботятся о людях. о будет переплетаться. Мы говорим, что набор узлов I неповреждён, если I представляет собой равномерно исправный кворум, в котором каждые два члена I переплетены, даже если каждый узел вне I неисправен. Интуитивно, тогда я должен оставаться невосприимчивым к действиям неповрежденных узлы. SCP гарантирует как неблокирующую работоспособность [93], так и безопасность неповрежденных наборов, хотя сами узлы не нуждаются в знать (а может и не знать), какие наборы целы. Более того, объединение двух пересекающихся целых множеств есть целый комплект. Следовательно, неповрежденные множества определяют разбиение узлы с хорошим поведением, где каждый раздел безопасен и работоспособен (при некоторых условиях), но разные разделы могут выводить разные решения. 3.1.1 Соображения безопасности и жизнеспособности в FBA За редким исключением [64], большинство протоколов закрытых византийских соглашений настроены на точку равновесия, в которой безопасность и живучесть имеют одинаковую отказоустойчивость. В ФБА, это означает конфигурации, в которых, независимо от сбоев, все переплетенные множества также целы. Учитывая, что ФБА определяет кворумы децентрализованно, маловероятно, что индивидуальный выбор срезов приведет к такому равновесию. Более того, на по крайней мере, в Stellar равновесие нежелательно: последствия сбоя безопасности (а именно двойного расходования цифровых денег) гораздо хуже, чем при сбое работоспособности (а именно задержки в платежах, которые в любом случае произошли за несколько дней до Stellar). Люди поэтому следует и следует выбирать большие фрагменты кворума, такие, чтобы их узлы, скорее всего, останутся переплетенными, чем нетронутыми. Чем больше чаша весов склоняется, тем легче оправиться от типичные сбои живучести в системе ФБА, чем в традиционной закрытой. В закрытых системах все сообщения должны быть интерпретируются относительно одного и того же набора кворумов. Следовательно, добавление и удаление узлов для восстановления после сбоя требует достижение консенсуса по вопросу реконфигурации, что становится затруднительным, если консенсуса больше нет. В отличие от ФБА, любой узел может в одностороннем порядке корректировать свои доли кворума в любой момент. время. В ответ на отключение системно важного объекта организации, администраторы узлов могут настраивать свои фрагменты в соответствии с обойти проблему, что-то вроде координации ответов к катастрофам BGP [63] (хотя и без ограничений маршрутизация по физическим сетевым каналам).
Быстрые и безопасные международные платежи с Stellar SOSP '19, 27–30 октября 2019 г., Хантсвилл, Онтарио, Канада 3.1.2 Каскадная теорема SCP следует шаблону базовой круглой модели [42]; узлы проходят через серию пронумерованных бюллетеней, каждый пытаясь выполнить три задачи: (1) определить «безопасное» значение, не противоречащее никакому решению предыдущего голосования (часто называемое подготовка бюллетеня), (2) согласовать безопасное значение и (3) обнаружить, что соглашение было успешным. Тем не менее, открытый ФБА членство блокирует несколько распространенных методов, что делает его невозможно «портировать» традиционные закрытые протоколы на ФБА модель, просто изменив определение кворума. Одним из методов, используемых во многих протоколах, является ротация. через ведущие узлы в циклическом порядке после таймаутов. В закрытой системе циклический выбор лидера обеспечивает что в конечном итоге единственный честный лидер в конечном итоге согласовывает соглашение по единой ценности. К сожалению, круговой не может работать в системе FBA с неизвестным членством. Другой распространенный метод, который не работает с FBA, заключается в предположении, что определенный кворум может убедить все узлы. Например, если все признают любые 2f + 1 узлов кворумом, то 2f + 1 подписей достаточно, чтобы подтвердить состояние протокола для всех узлов. Аналогично, если узел получает кворум идентичных сообщений посредством надежной широковещательной рассылки [24] узел может предположить, что все исправные узлы также увидят кворум. В FBA, напротив, кворум ничего не значит для узлов вне кворума. Наконец, нефедеративные системы часто используют «обратный» подход. рассуждения о безопасности: если f+1 узлов неисправны, то вся безопасность гарантии теряются. Следовательно, если узел v слышит f + 1 узел, все констатировать некоторый факт F, v может предположить, что по крайней мере один из них говорит истина (и, следовательно, F истинно) без потери безопасности. такой рассуждения терпят неудачу в FBA, потому что безопасность - это свойство пар узлов, поэтому узел, потерявший безопасность для некоторых узлов, может всегда теряйте безопасность из-за большего количества узлов, предполагая неверные факты. Однако FBA может рассуждать наоборот о жизнеспособности. Определите набор v-блокировок как набор узлов, пересекающих каждую срез v. Если v-блокирующее множество B единогласно ошибочно, B может лишить узел v кворума и лишить его жизнеспособности. Следовательно, если B единогласно констатирует факт F, тогда v знает, что либо F является true или v не поврежден. Тем не менее, Ви все еще нужно увидеть полную картину. кворум знать, что переплетенные узлы не будут противоречить F, что приводит к заключительному раунду общения в SCP и другие протоколы FBA [47], которые не требуются в аналогичных протоколы закрытого членства. В результате мы имеем три возможных уровня уверенности в потенциальных фактах: неопределенный, безопасный для неповрежденных узлов (который мы будем общепринятые факты), и можно с уверенностью предположить среди переплетенных узлы (которые мы будем называть подтвержденными фактами). Узел v может эффективно определить, является ли набор B блокирующим, проверив, пересекает ли B все его срезы. Интересно, что если узлы всегда объявляют утверждения, которые они Accept и полный кворум принимает утверждение, это запускает каскадный процесс, посредством которого утверждения распространяются по всему целые комплекты. Мы называем ключевой факт, лежащий в основе этого распространения каскадная теорема, которая утверждает следующее: если I — неповреждённое множество, Q — кворум любого члена I, а S — любой надмножество Q, то либо S ⊇I, либо существует элемент v ∈I такой, что v < S и I ∩S является v-блокирующим. Интуитивно, было ли это это не так, дополнение S будет содержать кворум который пересекает I, но не Q, что нарушает пересечение кворума. Обратите внимание: если мы начнем с S = Q и неоднократно расширим S до включаем все узлы, которые он блокирует, мы получаем каскадный эффект до тех пор, пока: в конечном итоге S охватывает все I. 3.2 Описание протокола SCP — это частично синхронный протокол консенсуса [42], состоящий из серии попыток достижения консенсуса, называемых бюллетени. В бюллетенях используются тайм-ауты увеличивающейся продолжительности. А протокол синхронизации голосования гарантирует, что узлы остаются включенными один и тот же бюллетень в течение увеличивающихся периодов времени, пока бюллетени эффективно синхронны. Прекращение действия не гарантировано пока бюллетени не будут синхронными, но два синхронных голосования в котором неисправные члены срезов узлов с хорошим поведением «Не вмешиваться» достаточно для завершения SCP. Протокол голосования определяет действия, предпринимаемые в ходе каждого голосование. Голосование начинается с этапа подготовки, на котором узлы попытаться определить предлагаемую ценность, которая не противоречит любое предыдущее решение. Затем, на этапе фиксации, узлы пытаются принять решение по подготовленному значению. При голосовании используется подпротокол соглашения, называемый федеративным голосованием, т.е.n какие узлы голосуют за абстрактные утверждения это может в конечном итоге подтвердиться или застрять. Некоторые утверждения могут быть названы противоречивыми, а безопасность гарантия федеративного голосования заключается в том, что никакие два члена переплетенное множество подтверждает противоречивые утверждения. Подтверждение заявления не гарантируется, за исключением неповрежденного набор, все члены которого голосуют одинаково. Однако, если член неповрежденного набора подтверждает утверждение, федеративно голосование гарантирует, что все члены целого множества в конечном итоге подтвердят это утверждение. Поэтому предпринимаются необратимые шаги в ответ на подтверждающие высказывания сохраняет живость в течение неповрежденные узлы. Узлы первоначально предлагают значения, полученные в результате номинации. протокол, который увеличивает шансы всех членов неповрежденного множество, предлагающее одно и то же значение, и оно в конечном итоге сходится (хотя и без возможности определить полную сходимость). Выдвижение сочетает в себе федеративное голосование и выбор лидера. Поскольку в FBA циклическая система невозможна, для номинации используются вероятностная схема выбора лидера. Каскадная теорема играет решающую роль как при голосовании, так и при голосовании. синхронизации и во избежание заблокированных состояний, из которых расторжение уже невозможно. 3.2.1 Голосование Узлы SCP проходят серию пронумерованных бюллетеней, используя федеративное голосование для согласования утверждений, относительно которых значения определяются или не определяются в ходе голосования. Если асинхронность или неправильное поведение препятствует принятию решения в бюллетене n, тайм-аут узлов и повторите попытку в бюллетене n + 1.
SOSP '19, 27–30 октября 2019 г., Хантсвилл, Онтарио, Канада Лохава и др. Напомним, федеративное голосование может не прекратиться. Следовательно, некоторые заявления по поводу избирательных бюллетеней могут навсегда застрять в неопределенное состояние, в котором узлы никогда не могут определить, являются ли они все еще выполняются или застряли. Поскольку узлы не могут исключить возможность неопределенных утверждений, которые впоследствии окажутся истинными, они никогда не должны пытаться проводить федеративное голосование по новым заявлениям противоречащие неопределенным. В каждом бюллетене n узлы используют федеративное голосование по двум типам. заявления: • подготовить ⟨n,x⟩– утверждает, что никакое значение, кроме x было или когда-либо будет решено в любом голосовании ≤n. • commit ⟨n,x⟩– утверждает, что x определяется в бюллетене n. Важно отметить, что подготовка ⟨n,x⟩ противоречит коммиту. ⟨n′,x ′⟩, когда n ≥n′ и x , x ′. Узел начинает голосование n, пытаясь провести федеративное голосование на заявление подготовить ⟨n,x⟩. Если какой-либо предыдущий оператор подготовки был успешно подтвержден посредством федеративного голосования, узел выбирает x из подтвержденной подготовки высшего бюллетеня. В противном случае узел устанавливает x в выходной сигнал Протокол номинации описан в следующем подразделе. Тогда и только тогда, когда узел успешно подтверждает подготовку ⟨n,x⟩ в бюллетене n он пытается провести федеративное голосование по фиксации ⟨n,x⟩. Если если это удалось, это означает, что SCP принял решение, поэтому узел выводит значение из подтвержденного оператора фиксации. Рассмотрим переплетенное множество S. Поскольку не более одного значения могут быть подтверждены подготовленными членами S в данном бюллетене, никакие два разных значения не могут быть подтверждены совершенными члены S в данном бюллетене. Более того, если совершить ⟨n,x⟩ подтверждено, то подготовка ⟨n,x⟩ тоже подтверждена; с тех пор подготовка ⟨n,x⟩ противоречит любому предыдущему коммиту для другого значения, по соглашению гарантирует федеративное голосование мы понимаем, что никакое другое значение не может быть принято ранее голосование членов S. Индукцией по номерам бюллетеней мы поэтому убедитесь, что SCP безопасен. Для живости рассмотрим неповрежденный набор I и достаточно длинный синхронное голосование n. Если в срезах появляются неисправные узлы хорошо себя ведущих узлов не вмешиваются, то голосованием n + 1 все члены I подтвердили один и тот же набор P операторов подготовки. Если P = ∅ и бюллетень n был достаточно длинным, протокол номинации сойдётся на некотором значении x. В противном случае, пусть x будет значением из подготовки с наибольшим числом голосов в P. В любом случае, я буду равномерно пытаться объединить голосование по подготовке ⟨n + 1,x⟩ в следующем туре голосования. Следовательно, если n + 1 также синхронно, неизбежно следует решение по x. 3.2.2 Номинация Выдвижение предполагает федеративное голосование по заявлениям: • Номинировать x – утверждает, что x является действительным кандидатом на решение. Узлы могут голосовать за назначение нескольких значений — разных высказывания номинантов не противоречат друг другу. Однако однажды узел подтверждает любое заявление о назначении, он прекращает голосование за номинировать новые ценности. Федеративное голосование по-прежнему позволяет узлу подтвердить новые заявления о выдвижении кандидатов, за которые он не голосовал, которые голосуй или принимай из кворума принять из кворума а действителен принять от блокирующий набор незафиксированный проголосовал за принял подтвердил проголосовал за Рисунок 1. Этапы федеративного голосования позволяет членам неповрежденного набора подтверждать друг друга номинированные ценности, при этом отказываясь от новых голосов. (Развивающийся) результат номинации — это детерминированная комбинация всех значений в подтвержденных номинирующих заявлениях. Если x представляет собой набор транзакций, узлы могут объединяться наборов, самый большой набор или набор с наибольшим hash, поэтому пока все узлы делают то же самое. Поскольку узлы не содержат новых голосов после подтверждения одного заявления о выдвижении кандидатуры, набор подтвержденные утверждения могут содержать только конечное число значений. Тот факт, что подтвержденные заявления надежно распространялись через неповрежденные множества означают, что неповрежденные узлы в конечном итоге сходятся на тот же набор номинированных ценностей и, следовательно, результат номинации, хотя и в неизвестном месте, в произвольном конце протокола. Узлы используют федеративный выбор лидеров, чтобы уменьшить количество различных значений в номинирующих утверждениях. Только лидер, который еще не проголосовал за выдвижение кандидатуры, может ввести новый x. Другие узлы ждут вестей от лидеров и просто копировать (действительные) голоса их лидеров. Чтобы приспособиться к неудаче, набор лидеров продолжает расти по мере того, как происходят тайм-ауты, хотя на практике только несколько узлов вводят новые значения x. 3.2.3 Федеративное голосование Федеративное голосование использует трехэтапный протокол, показанный на рис. Рисунок 1. Узлы сначала пытаются договориться об абстрактных утверждениях голосование, затем принятие и, наконец, подтверждение заявлений. Узел v может голосовать за любое допустимое утверждение a, которое не соответствует противоречить другомувыдающиеся голоса и принятые заявления. Это делается путем трансляции подписанного сообщения о голосовании. Затем v принимает a, если a согласуется с другими принятыми утверждениями и либо (случай 1) v является членом кворума, в котором каждый узел либо голосует за a, либо принимает a, либо (случай 2), даже если v не голосовал за a, набор v-blocking принимает a. В случае 2 v может ранее отдали голоса, противоречащие а, которые теперь было отменено. v разрешено забыть об отклоненных голосах и притвориться, что никогда их не применял, потому что если v цел, он знает отмененные голоса не могут обеспечить кворум в случае 1. v сообщает, что принимает a, а затем подтверждает, когда оно находится в кворум, который единогласно принимает а. На рисунке 2 показано эффект v-блокирующих множеств и каскадная теорема во время федеративное голосование. Два переплетенных узла не могут подтвердить противоречивые утверждения, поскольку два необходимых кворума должны будут иметь общийБыстрые и безопасные международные платежи с Stellar SOSP '19, 27–30 октября 2019 г., Хантсвилл, Онтарио, Канада 3 4 2 1 5 7
Голосуйте Х
Голосуйте за (а) 3 4 2 1 5 7 6 Голосовать Х Голосовать Х Голосовать Х Голосовать Да Голосовать Х Голосовать Да Голосовать Да (б) 3 4 2 1 5 7 6 Принять Х Голосовать Х Принять Х Голосовать Да Принять Х Голосовать Да Голосовать Да (с) 3 4 2 1 5 7 6 Принять Х Принять Х Принять Х Голосовать Да Принять Х Принять Х Голосовать Да (г) 3 4 2 1 5 7 6 Принять Х Голосовать Х Принять Х Принять Х Принять Х Принять Х Принять Х (е) Рисунок 2. Каскадный эффект при федеративном голосовании. Каждый узел имеет один срез кворума, обозначенный стрелками, указывающими на членов среза. (a) Вводятся противоречивые утверждения X и Y. (b) Узлы голосуют за действительные утверждения. (c) Узел 1 принимает X после наличия кворума {1, 2, 3, 4} единогласно голосуют за X. (d) Все узлы 1, 2, 3 и 4 принимают X; набор {1} блокирует 5, поэтому узел 5 принимает X, отменяя его предыдущий голос за Y. (e) Набор {5} блокирует 6 и 7, поэтому оба 6 и 7 принимают X. исправный узел, который не смог принять противоречивые утверждения. Подтверждение заявления не гарантируется: в В случае разделения голосов оба заявления могут быть навсегда застрял в ожидании кворума на этапе голосования. Однако, если узел в неповрежденном множестве подтверждаю утверждение, каскад теорему и принять случай 2, гарантируя, что все I в конечном итоге подтвердите это утверждение. 3.2.4 Синхронизация бюллетеней Если узлы не могут подтвердить оператор фиксации для текущем голосовании, они сдаются после тайм-аута. Тайм-аут получает дольше с каждым бюллетенем, чтобы приспособиться к произвольным границам о задержке сети. Однако одних таймаутов недостаточно для синхронизации бюллетеней узлов, которые не запустились одновременно или рассинхронизировался по другим причинам. Чтобы добиться синхронизации, узлы запускают таймер только тогда, когда они являются частью кворум то есть весь на текущем (или более позднем) голосовании. Это замедляет узлы, которые запустились раньше, и гарантирует, что никакие член интактной группы остается слишком далеко впереди группы. Более того, если узел v когда-либо заметит установку v-блокировки позднее, бюллетень, он немедленно переходит к низшему бюллетеню, так что это это больше не так, независимо от каких-либо таймеров. Каскад Тогда теорема гарантирует, что все отстающие догонят. Результат заключается в том, что избирательные бюллетени примерно синхронизированы на всем протяжении устанавливается, как только система становится синхронной. 3.2.5 Выбор федеративного лидера Выбор лидера позволяет каждому узлу выбирать лидеров в таком способ, которым узлы обычно выбирают только один или небольшое количество лидеров. Чтобы справиться с неудачей лидера, выбор лидера проходит через раунды. Если лидеры текущего тура кажутся не выполняющими своих обязанностей, то после некоторого узлы определенного периода таймаута переходят к следующему раунду, чтобы расширить круг лидеров, за которыми они следуют. В каждом раунде используются две уникальные криптографические функции hash, H0 и H1, которые выводят целые числа в диапазоне [0,hmax). Например, Stellar использует Hi(m) = SHA256(i∥b∥r ∥m), где b — общий экземпляр SCP (номер блока или реестра), r — номер раунда выбора лидера, hmax = 2256. В пределах за раунд мы определяем приоритет узла v как: приоритет(v) = H1(v) Для каждого узла будет выбран один подставной человек в качестве лидера. узел с наивысшим приоритетом (v). Этот подход работает хорошо с почти идентичными фрагментами кворума, но не правильно отразить важность узлов в несбалансированных конфигурациях. Например, если Европа и Китай вносят по 3 узлов в каждый кворум, но в Китае используется 1000 узлов, а в Европе — 4, тогда у Китая будет узел с наивысшим приоритетом 99,6% того времени. Поэтому мы вводим понятие веса среза, где вес(u,v) ∈[0, 1] — это доля срезов кворума узла u содержащий узел v. Когда узел u выбирает нового лидера, он учитывает только соседей, определенных следующим образом: соседи (и) = { v | H0(v) < hmax · вес(u,v) } Затем узел нодеу начинается с пустого набора лидеров, и в каждом round добавляет к нему узел v из соседей(u) с наивысшим приоритет(v). Если набор соседей пуст в каком-либо раунде, вместо этого u добавляет узел с наименьшим значением H0(v)/weight(u,v).
Формальная проверка SCP
Чтобы исключить ошибки проектирования, мы официально подтвердили безопасность SCP. и свойства живучести (см. [65]). В частности, мы проверили что переплетенные узлы никогда не расходятся во мнениях и что в условиях, обсуждаемых ниже, в конечном итоге решение принимает каждый член целого множества. Интересно, что проверка показала, что условия, при которых SCP гарантирует жизнеспособность, являются тонкими, и сильнее, чем первоначально предполагалось [68]: как обсуждается ниже, вредоносные узлы, которые манипулируют временем без иного при отклонении от протокола может потребоваться выселение вручную из срезов кворума.
SOSP '19, 27–30 октября 2019 г., Хантсвилл, Онтарио, Канада Лохава и др. Чтобы гарантировать, что свойства будут сохранены во всех возможных Конфигурации и исполнения ФБА мы рассматриваем произвольные. количество узлов с произвольными локальными конфигурациями. Это включает сценарии с непересекающимися неповрежденными множествами, а также потенциально бесконечно длинные выполнения. Недостаток в том, что мы сталкиваются со сложной проблемой проверки параметризованного система с бесконечными состояниями. Чтобы обеспечить удобство проверки, мы смоделировали SCP в логике первого порядка (FOL), используя Ivy [69] и методологию [82]. Процесс проверки состоит из ручного создания индуктивных предположений, которые затем автоматически проверяются Айви. FOL-модель SCP абстрагируется от некоторых аспектов Системы FBA, с которыми сложно работать на ВОЛС (например, каскадная теорема принимается за аксиому), поэтому проверяем справедливость обоснованность абстракции с использованием Isabelle/HOL [75]. После выражения проблемы проверки в FOL мы проверяем безопасность, предоставляя индуктивный инвариант. Индуктивный инвариант состоит из дюжины однострочных гипотез примерно 150 строк спецификации протокола. Затем мы указываем свойства жизнеспособности SCP в линейной временной логике Айви и используем метод жизнеспособность для снижения безопасности [80, 81] для снижения живучести задача проверки к задаче нахождения индуктивного инвариант. Хотя безопасность SCP относительно легко обеспечить доказать, что аргумент жизнеспособности SCP гораздо более сложен и состоит примерно из 150 однострочных инвариантов. Доказательство живучести потребовало точной формализации предположения, при которых SCP обеспечивает прекращение действия. Сначала мы думали, что нетронутый набор я всегда закрою, если все участники удалили неисправные узлы из своих срезов [68]. Однако этого оказалось недостаточно: воспитанный (но не исправен) узел в кворуме члена I can, под влияние неисправных узлов, предотвратить завершение, выполнив кворума непосредственно перед окончанием голосования, тем самым вызывая члены I выберут другие значения x в следующем туре голосования. Поэтому мы должны дополнительно предположить, что неформально каждый узел в кворуме члена I в конечном итоге либо становится своевременным или вообще не отправляет сообщения в течение достаточного периода времени. На практике это означает, что члены I могут необходимо корректировать свои срезы до тех пор, пока условие не выполнится. Это проблема не свойственна системам FBA: Losa et al. [47] присутствует протокол, жизнеспособность которого зависит от строго более слабого предположения о возможной синхронности и возможном выборе лидера без необходимости удалять неисправные узлы из срезов.
Платежная сеть
В этом разделе описывается платежная сеть Stellar, реализованная как реплицированный конечный автомат PH_0000 поверх SCP. 5.1 Модель бухгалтерской книги Регистр Stellar построен на абстракции счета (в в отличие от более ориентированного на монеты вывода неизрасходованных транзакций или UTXO модель Bitcoin). Содержимое реестра состоит из набор записей бухгалтерской книги четырех различных типов: счета, линии доверия, предложения и данные учетной записи. Счета — это принципалы, которые владеют и выпускают активы. Каждый учетная запись называется по открытому ключу. По умолчанию соответствующий закрытый ключ может подписывать транзакции для учетной записи. Однако учетные записи можно перенастроить, чтобы добавить других подписывающих лиц и деавторизовать ключ, который называет учетную запись, с помощью опция «multisig», требующая нескольких подписывающих лиц. Каждый аккаунт также содержит: порядковый номер (включенный в транзакции для предотвращения повтора), некоторые флаги и баланс в «родном» предварительно добытая криптовалюта под названием XLM, предназначенная для смягчения последствий некоторые атаки типа «отказ в обслуживании» и способствуют созданию рынка как нейтральная валюта. Линии доверия отслеживают право собственности на выпущенные активы, которые именуется парой, состоящей из эмиссионного счета и короткого код актива (например, «USD» или «EUR»). Каждая линия доверия определяет счет, актив, баланс счета в этом активе, предел, выше которого баланс не может подняться, и некоторые флаги. Учетная запись должна дать явное согласие на хранение актива путем создание линии доверия, предотвращающей обременение спамеров аккаунты с нежелательными активами. Правила «Знай своего клиента» (KYC) требуют, чтобы многие финансовые учреждения знали, чьи депозиты они держат. например, проверив удостоверение личности с фотографией. Для соблюдения требований эмитенты могут установить дополнительный флаг auth_reqired в их учетных записях, ограничивающий право собственности на активы, которые они выдают, авторизованным учетным записям. Для предоставления такого разрешения эмитент устанавливает авторизованный пометить на линиях доверия клиентов. Предложения соответствуют готовности аккаунта торговать вверх. на определенное количество определенного актива в обмен на другой при данном цена в книге заказов; они автоматически сопоставляются и заполняется при пересечении цен покупки/продажи. Наконец, данные учетной записи состоят из троек учетной записи, ключа и значения, что позволяет владельцам учетных записей публиковать небольшие значения метаданных. Чтобы предотвратить спам в реестре, существует минимальный баланс XLM. называется резервом. Резерв счета увеличивается с каждым связанная запись в бухгалтерской книге и уменьшается, когда запись в бухгалтерской книге исчезает (например, когда ордер исполнен или отменен, или когда линия доверия удалена). На данный момент резерв увеличивается на 0,5 XLM. (∼0,03 доллара США) за запись в бухгалтерской книге. Независимо от резерва, это можно вернуть всю стоимость учетной записи, удалив это с помощью операции AccountMerge. Заголовок реестра, показанный на рисунке 3, хранит глобальные атрибуты: номер бухгалтерской книги, такие параметры, как резервный баланс на запись в бухгалтерской книге, hash предыдущего заголовка бухгалтерской книги (фактически несколько hashes, образующих список пропуска), выходные данные SCP, включая hash новых транзакций, примененных в этом реестре, hash результаты этих транзакций (например, успех или неудача для каждый), а также снимок hash всех записей бухгалтерской книги. Поскольку снимок hash включает в себя все содержимое бухгалтерской книги, validator не требуется сохранять историю для проверки транзакций. Однако для масштабирования до сотен миллионов ожидаемых счетов, мы не можем повторно hash все таблицы записей главной книги на каждом бухгалтерскую книгу закрыть. Кроме того, передавать реестр непрактично.Быстрые и безопасные международные платежи с Stellar SOSP '19, 27–30 октября 2019 г., Хантсвилл, Онтарио, Канада регистр № = 4 H(предыдущий hdr) Выход SCP H∗(результаты) H∗(снимок) ... заголовок регистр № = 5 H(предыдущий hdr) Выход SCP H∗(результаты) H∗(снимок) ... заголовок . . . Рисунок 3. Содержимое реестра. H — это SHA-256, а H * представляет собой иерархическое или рекурсивное применение вывода H. SCP. также зависит от предыдущего заголовка hash. Создать аккаунт Создайте и профинансируйте новую запись в книге счетов Слияние учетных записей Удалить запись в книге учета счетов Установить параметры Изменение флагов учетной записи и подписантов Оплата Выплатите определенное количество актива в пользу dest. акт. ПутьОплата Как оплата, но оплата в другом активе (вверх). ограничить); укажите до 5 промежуточных активов Управление предложением Создать/удалить/изменить запись в книге предложений, -Пассивное предложение с пассивным вариантом, обеспечивающим нулевой спред Управление данными Создать/удалить/изменить аккаунт. запись в книге данных ИзменениеДоверие Создать/удалить/изменить линию доверия Разрешить доверие Установить или снять флаг авторизации на линии доверия BumpSequence Увеличение сек. номер на счету Рисунок 4. Основные операции реестра такого размера каждый раз, когда узел отключался от сети слишком долго. Таким образом, снимок hash предназначен для оптимизации как hashing, так и согласования состояний. В частности, моментальный снимок стратифицирует записи реестра по времени. последней модификации в наборе контейнеров экспоненциального размера называются ведрами. Совокупность ведер называется ведром. список и имеет некоторое сходство с деревьями слияния с логарифмической структурой. (LSM-деревья) [77]. Список желаний не читается во время обработки транзакции (см. раздел 5.4). Следовательно, определенный дизайн аспекты LSM-деревьев можно ослабить. В частности, случайный доступ по ключу не требуется, а сегменты доступны только для чтения последовательно в рамках слияния уровней. Хеширование ведра список создается путем hash обработки каждого сегмента по мере его объединения и расчета нового совокупного значения hash сегмента hashes (небольшого, фиксированный справочный индекс hashes) при каждом закрытии бухгалтерской книги. Для согласования списка желаний после отключения требуется загрузка различаются только ведра. 5.2 Модель транзакции Транзакция состоит из исходного счета, критериев действительности, памятка и список одной или нескольких операций. На рис. 4 перечислены доступные операции. Каждая операция имеет исходный аккаунт, который по умолчанию соответствует значению всей транзакции. Транзакция должна быть подписан ключами, соответствующими каждой исходной учетной записи в операция. Учетные записи с мультиподписью могут потребовать более высокого уровня подписи. вес для некоторых операций (например, SetOptions) и ниже для других (например, AllowTrust). Транзакции являются атомарными: если какая-либо операция завершается неудачно, ни одна из их казнят. Это упрощает многосторонние сделки. Предположим, эмитент создает актив для представления земельных документов, а пользователь А хочет обменять небольшой земельный участок плюс 10 000 долларов на больший земельный участок, принадлежащий Б. Оба пользователя могут подписать одна сделка, содержащая три операции: две земельные платежи и платеж в один доллар. Основным критерием действительности транзакции является ее порядковый номер, который должен быть на единицу больше, чем номер транзакции. запись в книге учета исходных счетов. Выполнение действительной транзакции (успешно или нет) увеличивает порядковый номер, предотвращая повтор. Начальные порядковые номера содержат реестр номер в старших битах, чтобы предотвратить повтор даже после удаления и повторное создание учетной записи. Другим критерием достоверности является необязательное ограничение на то, когда транзакция может быть выполнена. Возвращение к земле и доллару своп выше, если A подписывает транзакцию раньше B, A не может хочу, чтобы B участвовал в транзакции в течение года, прежде чем отправить ее это, и поэтому может установить ограничение по времени, делающее транзакцию недействительной через несколько дней. Учетные записи с мультиподписью также могут быть настроены. чтобы придать вес подписи обнаружению прообраза hash, что в сочетании с ограничениями по времени позволяет осуществлять атомарную кроссчейн-торговлю [1]. С исходного счета транзакции взимается небольшая комиссия в XLM. 10−5 XLM, если нет перегрузок. В условиях заторов, Стоимость операций устанавливается на голландском аукционе. Валидаторы не компенсируется комиссией, поскольку validators аналогичны на Bitcoin полные узлы, а не майнеры. Вместо того, чтобы уничтожить XLM, сборы перерабатываются и распределяются пропорционально голосованием существующие держатели XLM, которые, оглядываясь назад, могут или могут не стоили такой сложности. 5.3 Консенсусные ценности Для каждого реестра Stellar использует SCP для согласования структуры данных. с тремя полями: набор транзакций hash (включая hash предыдущего заголовка книги), время закрытия,д обновления. Если подтверждено назначение нескольких значений, Stellar принимает набор транзакций с наибольшим количеством операций (разрыв связей по общей сумме комиссий, затем набор транзакций hash), объединение всех обновления и максимальное время закрытия. Близкое время только действительно, если это происходит между временем закрытия последнего реестра и присутствует, поэтому узлы не указывают недопустимое время. Обновления настраивают глобальные параметры, такие как резервный баланс, минимальная комиссия за операцию и версия протокола. Когда При объединении во время номинации более высокие сборы и номера версий протокола заменяют более низкие. Обновления влияют на управление через пространство федеративного голосования [34], ни эгалитарный и централизованный. Каждый validator настроен как либо управляющий, либо неуправляющий (по умолчанию), в зависимости от от того, хочет ли его оператор участвовать в управлении. Управляющие validators рассматривают три типа обновления: желаемый, действительный и недействительный (все, что validator не делает
SOSP '19, 27–30 октября 2019 г., Хантсвилл, Онтарио, Канада Лохава и др. validator ядро горизонт ФС БД БД отправить клиент клиент другие validators Рисунок 5. Архитектура Stellar validator знаю, как реализовать). Желаемые обновления настроены на запуск в определенное время, предназначенный для координации между операторы. Управляющие узлы всегда голосуют за выдвижение желаемых обновления: принимайте, но не голосуйте за назначение действительных обновлений (т. е. соглашайтесь с блокирующим кворумом) и никогда не голосуйте за или принять недействительные обновления. Неуправляющее эхо validators любой голос, который они видят за действительное обновление, по сути делегируя решение о том, какие обновления желательны для тех, кто выбирает на руководящую роль. 5.4 Реализация На рис. 5 показана архитектура validator Stellar. Демон называемый stellar-core (~92 тыс. строк C++, не считая сторонних библиотек), реализует протокол SCP и реплицируемый конечный автомат. Создание значений для SCP требует сокращения большого количества записей реестра до небольших криптографических операций. hashes. Напротив, проверка и выполнение транзакции требует просмотра состояния учетной записи и сопоставления заказов на лучшая цена. Чтобы эффективно выполнять обе функции, звездное ядро хранит два представления реестра: внешнее представление, содержащее список сегментов, хранящееся в виде двоичных файлов, которые могут быть эффективно обновлены и постепенно измененыhash, а также внутреннее представление в базе данных SQL (PostgreSQL для производственных узлов). Stellar-core создает архив истории, доступный только для записи, содержащий каждый подтвержденный набор транзакций и снимки ведра. Архив позволяет новым узлам загружаться самостоятельно. при подключении к сети. Он также обеспечивает запись в бухгалтерской книге история — должно быть место, где можно найти сделка двухлетней давности. Поскольку история доступна только для добавления и доступ к нему нечастый, его можно хранить в дешевых местах например Amazon Glacier или любой сервис, позволяющий хранить и получить плоские файлы. Хосты-валидаторы обычно не размещают свои собственные архивы, чтобы избежать какого-либо влияния на проверку производительность из истории обслуживания. Чтобы сохранить простоту звездного ядра, оно не предназначено для использования непосредственно приложениями и предоставляет лишь очень узкий интерфейс для отправки новых транзакций. Поддержать клиентов, большинство validator используют демон под названием Horizon (~18 тыс. строки Go), который предоставляет HTTP-интерфейс для отправки и изучение транзакций. Horizon имеет доступ только для чтения к База данных SQL stellar-core, сводящая к минимуму риск горизонта дестабилизирующее звездное ядро. Такие функции, как поиск пути платежа, будут полностью реализованы в перспективе и могут быть обновлены. в одностороннем порядке без согласования с другими validators. Несколько дополнительных демонов более высокого уровня являются клиентами горизонта, дополняя экосистему. Сервер-мост облегчает интеграция Stellar с существующими системами, например, публикация уведомлений обо всех платежах, полученных на определенный счет. А сервер соответствия предоставляет финансовым учреждениям возможность обмен и утверждение информации об отправителе и получателе по выплатам, за соблюдением санкционных списков. Наконец, сервер федерации реализует удобочитаемое именование система для аккаунтов. 6 Опыт внедрения Stellar за несколько лет перерос в состояние с умеренным количество достаточно надежных операторов полного узла. Однако, конфигурации узлов были таковы, что работоспособность (хотя и не безопасность) зависела от нас, Фонда развития Stellar (СДС); если бы SDF внезапно исчез, другие операторы узлов пришлось бы вмешаться и удалить нас вручную из фрагментов кворума, чтобы сеть могла продолжить работу. Хотя мы и многие другие хотим снизить системную значимость СДС, эта цель получила все больший приоритет после исследователи [58] количественно оценили и обнародовали централизацию сети, не дифференцируя риски для безопасности и живость. Ряд операторов отреагировали активными изменениями конфигурации, в первую очередь увеличением размера своих дробление кворума в попытке ослабить важность SDF; по иронии судьбы это только увеличило риск для жизни. Ситуацию усугубили две проблемы. Во-первых, популярный сторонний инструмент мониторинга Stellar [5] систематически переоценка времени безотказной работы validator без фактической проверки это звездное ядро работало; это побуждает людей включать ненадежные узлы в своих срезах кворума. Во-вторых, ошибка в звездное ядро означало, что как только validator перейдет в следующий реестр, это не помогло должным образом остальным узлам завершить предыдущеесобственный реестр на случай потери сообщений. В результате сеть испытала 67 минут простоя и потребовала координация вручную администраторами validator для перезапуска. Хуже того, попытка перезапустить сеть привела к одновременным поспешным реконфигурациям на нескольких узлах. в коллективной неправильной конфигурации, которая позволила некоторым узлам расходятся, что требует ручного отключения этих узлов и повторная отправка сделок, принятых во время расхождения. К счастью, это расхождение было обнаружено и исправлено. быстро и не содержало конфликтующих транзакций, но риск того, что сеть не сможет воспользоваться пересечением кворума — расщепление, продолжая при этом принимать потенциально конфликтующие транзакций, просто из-за неправильной конфигурации — было сделано очень конкретен в этом инциденте. Анализ этого опыта привел к двум важным выводам. и соответствующие корректирующие действия.Быстрые и безопасные международные платежи с Stellar SOSP '19, 27–30 октября 2019 г., Хантсвилл, Онтарио, Канада Критический, 100% 51% 51% Высокий, 67% 51% Средний, 67% 51% Низкий, 67% 51% 51% ... ... ... 51% ... 51% Рисунок 6. Иерархия качества валидатора. Узлы высочайшего качества требуется самый высокий порог 100 %, тогда как более низкие качества настроены на порог 67 %. Узлы внутри одного организации требуется простое большинство в 51%. 6.1 Сложность и хрупкость конфигурации Stellar выражает фрагменты кворума как вложенные наборы кворума, состоящие из n записей и порога k, где любой набор из k записей составляет срез кворума. Тогда каждая из n записей либо открытый ключ validator или, рекурсивно, другой набор кворума. Несмотря на гибкость и компактность, мы реализовали вложенный кворум. наборы одновременно предоставляли операторам узлов слишком большую гибкость и слишком мало указаний: было легко написать небезопасное (или даже бессмысленные) конфигурации. Критерии группировки узлы в наборы для организации подмножеств в иерархию и все пороговые значения для выбора были недостаточно ясными и способствовали сбоям в работе. Было не ясно, стоит ли рассматривать «уровень» в иерархии вложенных множеств как уровень доверия, или организация, или и то, и другое; множество конфигураций в полевых условиях смешали эти понятия, помимо указания опасных или бессмысленные пороги. Поэтому мы добавили более простой механизм настройки. который разделяет два аспекта вложенных наборов кворума: группировку узлы вместе по организациям и маркируя каждую организацию простой классификацией доверия (низкое, среднее, высокое или критично). Организации уровня и выше обязаны публиковать исторические архивы. Новая система синтезирует наборы вложенных кворумов, в которых каждая организация представлена как Установлен порог 51%, и организации сгруппированы в наборы с порогом 67% или 100% (в зависимости от качества группы). Каждая группа представляет собой отдельную запись в следующей (более качественной) группе. как показано на рисунке 6. Эта упрощенная модель уменьшает вероятность неправильной конфигурации, как с точки зрения структуры синтезированных вложенных наборов и порогов, выбранных для каждый набор. 6.2 Упреждающее обнаружение неправильной конфигурации Во-вторых, мы поняли, что обнаруживать коллективную неправильную конфигурацию, ожидая наблюдения за ее негативными последствиями, уже слишком поздно. Особенно в отношении неправильных конфигураций, которые могут расходиться. более серьезный режим отказа, чем остановка — сети необходимо чтобы иметь возможность немедленно обнаружить неправильную конфигурацию, чтобы операторы могли исправить ее до того, как действительно произойдет какое-либо расхождение. Чтобы удовлетворить эту потребность, мы встроили в программное обеспечение validator механизм, который непрерывно собирает состояние коллективной конфигурации всех узлов в транзитивном замыкании узла и обнаруживает возможность расхождения, т. е. непересекающихся кворумы — внутри этой коллективной конфигурации. 6.2.1 Проверка пересечения кворума Хотя собрать фрагменты кворума легко, найти среди них непересекающиеся кворумы — задача со-NP-сложная [62]. Однако мы приняли набор алгоритмических эвристик и правил исключения регистров предложено Лачовски [62], которое проверяет типичные экземпляры решения проблемы на несколько порядков быстрее, чем стоимость в худшем случае. Практически говоря, нынешняя сеть транзитивных замыканий среза кворума порядка 20–30. узлы и, с помощью оптимизации Лаховски, обычно проверяют за считанные секунды на одном процессоре. Если возникнет необходимость для повышения производительности мы можем распараллелить поиск. 6.2.2 Проверка рискованных конфигураций Обнаружение того, что сеть допускает непересекающиеся кворумы, является шагом в правильном направлении, но сигнализирует об опасности неприятно поздно по столь критичному вопросу. В идеале мы хотим, чтобы операторы узлов получали предупреждения, когда коллективная конфигурация сети просто приближается к опасному состоянию. Поэтому мы расширили проверку пересечения кворума чтобы обнаружить состояние, которое мы называем критичностью: когда текущий коллективная конфигурация находится на расстоянии одной неправильной конфигурации от государство, допускающее непересекающиеся кворумы. Чтобы обнаружить критичность, программа проверки неоднократно заменяет конфигурацию каждой организации смоделированной наихудшей ошибкой конфигурации, а затем повторно запускает проверку пересечения внутреннего кворума для результата. Если такая критическая неправильная конфигурация существует в одном шаге из текущего состояния, программное обеспечение выдает предупреждение и сообщает об организации, представляющей риск неправильной конфигурации. Эти изменения дают сообществу операторов два уровня. уведомлений и указаний для защиты от наихудших форм коллективной неправильной конфигурации.
Оценка
Чтобы понять пригодность Stellar в качестве глобального платежа и торговой сети, мы оценили состояние публичной сети и проводил контролируемые эксперименты на частном экспериментальном сеть. Мы сосредоточились на следующих вопросах: • Как выглядит топология производственной сети? Сколько сообщений в среднем передается в эфир, и как SCP испытывает тайм-ауты? • Остаются ли задержки консенсуса и обновления реестра независимыми от количества учетных записей?SOSP '19, 27–30 октября 2019 г., Хантсвилл, Онтарио, Канада Лохава и др. • Как на задержки влияет увеличение (а) транзакций в секунду (и, следовательно, количества транзакций в секунду) реестр) и (б) количество узлов validator? • Какова стоимость эксплуатации узла с точки зрения ЦП, память и пропускная способность сети? Платежные сети имеют низкую скорость транзакций по сравнению к другим типам распределенных систем. Ведущие blockchains, Bitcoin и Ethereum, подтверждают до 15 транзакций в секунду, менее Stellar. Более того, этим системам требуется несколько минут, чтобы час для безопасного подтверждения транзакции, поскольку доказательство работы требует ожидания нескольких блоков для майнинга. Сеть SWIFT, не относящаяся к blockchain, в пиковый день PH_0000 в среднем совершала всего 420 транзакций в секунду. Поэтому мы выбрали чтобы сравнить наши измерения с целевым показателем в 5 секунд интервал реестра, более агрессивная цель. Наши результаты показывают что задержки комфортно ниже этого предела даже при несколько нереализованных оптимизаций все еще находятся в стадии разработки. 7.1 Якоря В число наиболее торгуемых активов по объему входит валюта (например, 3 доллара США). якоря, 2 юаня), якоря Bitcoin, ценных бумаг, обеспеченных недвижимостью token [92] и валюты приложения [8]. У разных якорей разные политики. Например, один якорь в долларах США, Stronghold устанавливает auth_reqired и требует прохождения процедуры «знай своего клиента» (KYC) для каждой учетной записи, в которой хранятся их активы. Еще один, AnchorUSD, пусть кто угодно получает и торгует их доллары США (что делает буквально возможным отправить 0,50 доллара США в Мексику за 5 секунд с комиссией $0,000001). Однако AnchorUSD требует KYC и комиссий для покупки или погашения своих долларов США с помощью обычных банковских переводов. На Филиппинах, где банковские правила более мягкие в отношении входящих платежей, coin.ph поддерживает обналичивание PHP в любом банкомате [36]. Помимо вышеупомянутой безопасности token и валюты в приложении, существует ряд невалютных token от коммерческие облигации [22] и углеродные кредиты [85, 96] и более эзотерические активы, такие как token, стимулирующие совместную работу изъятие автомобиля [35]. 7.2 Публичная сеть На момент написания статьи имеется 126 активных полных узлов, 66 из которых участвовать в консенсусе, подписывая сообщения для голосования. Рисунок 7 (созданный [5]) визуализирует сеть с линией между два узла, если один из них присутствует в срезах кворума другого, и более темная синяя линия показывает двунаправленную зависимость. На центр представляет собой кластер из 17 де-факто «validator» первого уровня, управляемых SDF, SatoshiPay, LOBSTR, COINQVEST и Keybase. Четыре месяца назад, до событий Раздела 6, было 15 системообразующих узлов: 3 из казалось бы организации первого уровня и несколько случайных одиночек. график также выглядел гораздо менее регулярным. Следовательно, новый механизм конфигурации и/или более эффективные решения оператора кажутся чтобы внести вклад в более здоровую топологию сети. Без большие финансовые ресурсы (и соответствующий акционер Рисунок 7. Карта среза кворума обязательства), было бы сложно набрать 5 человек первого уровня однако организации с самого начала. Это предполагает кворум срезы играют полезную роль в начальной загрузке сети: каждый может присоединиться к цели стать важным игроком, потому что нет никаких привратников к парному соглашению. В настоящее время в реестре зарегистрировано более 3,3 миллиона учетных записей. Кончено за последние 24 часа Stellar в среднем совершало 4,5 транзакций и 15,7 операций в секунду. Анализируя последние бухгалтерские книги, большинство транзакции, кажется, имеют одну операцию, в то время как каждые несколько В реестрах мы видим транзакции, содержащие множество операций, которые похоже, исходят от маркет-мейкеров, управляющих предложениями. среднее время достижения консенсуса и обновления реестра составило 1061 мс и 46 мс соответственно. 99-й процентиль был 2252 мс и 142 мс (первое соответствует тайм-ауту в 1 секунду). в выборе лидера номинации). Обратите внимание, что производительность SCP в основном не зависит от транзакций в секунду, поскольку SCP соглашается на hash произвольного количества транзакций. Узкие места чаще возникают из-за распространения кандидата операции во время номинации, исполнения и проверки транзакции и объединение сегментов. Нам пока не нужно для распараллеливания обработки транзакций stellar-core на нескольких ядрах ЦП или дисках. Мы также оценили количество транслируемых SCP-сообщений. в производственной сети. В обычном случае с одним лидер, избранный для выдвижения ценности, мы ожидаем семь логических сообщения для трансляции: два сообщения для голосования и принятия номизаявление Nate, два сообщения для принятия и подтверждения заявление о подготовке, два сообщения для принятия и подтверждения оператор фиксации и, наконец, сообщение о внешнем виде (отправляется после записи нового реестра на диск, чтобы помочь отставшим догнать). Реализация сочетает в себе подтверждение фиксации и экспортировать сообщения в качестве оптимизации, поскольку это безопасно экспортировать значение после его фиксации. Затем мы анализируем показатели, собранные на производстве Stellar validator. Кончено в течение 68 часов было отправлено 1,3 сообщения в секунду, в среднем до 6-7 сообщений на реестр. Отметим, что общая сумма
Быстрые и безопасные международные платежи с Stellar SOSP '19, 27–30 октября 2019 г., Хантсвилл, Онтарио, Канада процентиль Количество таймаутов Номинация Голосование 75% 0 0 99% 1 0 Макс 4 1 Рисунок 8. Таймауты для каждого реестра более 68 часов количество сообщений, переданных validators, больше, поскольку в Помимо сообщений федеративного голосования, узлы также транслируют любые транзакции, о которых они узнают. На рис. 8 показаны тайм-ауты, с которыми сталкивается производственная система. validator в течение 68 часов. Тайм-ауты для выдвижения мера (не)эффективности функции выбора лидера, в то время как тайм-ауты голосования сильно зависят от сети и потенциальные задержки сообщений. Таймауты совпадают с количеством отправленных сообщений: шесть сообщений в в лучшем случае и не менее семи сообщений, если потребуется дополнительный раунд выдвижения. 7.3 Контролируемые эксперименты Мы проводили контролируемые эксперименты в контейнерах, упакованных на Инстансы Amazon EC2 c5d.9xlarge с 72 ГиБ ОЗУ, 900 ГБ твердотельного накопителя NVMe и 36 виртуальных ЦП. Каждый экземпляр находился в том же регионе EC2 и имел фиксированную пропускную способность 10 Гбит/с. В качестве хранилища мы использовали SQLite. (Stellar также поддерживает PostgreSQL, но здесь есть асинхронные задачи, которые вносят шум в измерения.) Stellar предоставляет встроенный запрос времени выполнения,generload, что позволяет генерировать синтетическую нагрузку на конкретную цель транзакция/второй курс. Хотя Stellar поддерживает различные торговые функции, такие как книга заказов и путь кросс-активов платежей, мы сосредоточились на простых платежах. Подтверждение транзакций состоит из нескольких этапов, поэтому мы записал измерения для каждого из следующих показателей: • Номинация: время от номинации до первой подготовки. • Голосование: время от первой подготовки до подтверждения голосование совершено • Обновление реестра: пришло время применить консенсусную ценность • Количество транзакций: подтвержденные транзакции по реестру. Каждый из наших экспериментов определялся тремя параметрами: количество счетных записей в книге учета, сумма нагрузка (в виде платежей XLM), отправляемая в секунду, и количество validators. Мы настраивали каждые validator знать обо всех остальных validator (наихудший сценарий для SCP), с срезами кворума, установленными на любое простое большинство узлов (чтобы максимизировать количество различных кворумов). Базовый уровень В нашем базовом эксперименте было измерено Stellar с 100 000 аккаунтов, четыре validator и генерация нагрузки Скорость 100 транзакций в секунду. В среднем мы наблюдали 507 транзакций на каждый реестр со стандартным отклонением 49. (9,7%). Обратите внимание, что ни одна транзакция не была отменена; легкий 105 106 107 0 500 1000 1500 2000 Счета Задержка [мс] Обновление бухгалтерской книги Голосование Номинация Рисунок 9. Задержка при увеличении количества учетных записей Отклонение связано с ограничениями планирования генератора нагрузки. Мы заметили, что количество транзакций в реестре соответствовало нашей скорости генерации нагрузки, согласно данным реестра закрывается каждые 5 секунд. Выдвижение, голосование и учет Обновление показало средние задержки 82,53 мс, 95,96 мс и 174,08 мс соответственно. Мы заметили, что задержка номинации 99-й процентиль постоянно ниже 61 мс, с редкими всплески длительностью примерно 1 секунду, что соответствует первому шагу в функции таймаута выбора лидера. Учитывая базовую производительность, мы рассмотрели эффекты варьирования каждого из параметров испытательной установки. Счета Данные на рисунке 9 показывают, что Stellar масштабируется а количество аккаунтов увеличивается. Генерация теста учетных записей стали длительным процессом, поскольку создание корзин и слияние не позволило нам просто заполнить базу данных с учетными записями напрямую через SQL. Поэтому мы провели нашу эксперименты до 50 000 000 аккаунтов. Пока есть минимальное влияние на консенсус и задержки обновления реестра, мы отмечаем, что увеличение счетов создает накладные расходы в размере объединение ведер, которые становятся больше. Скорость транзакции Скорость транзакций влияет на сумму многоадресная рассылка трафика между validator, количество транзакций, включенных в каждый реестр, и размер верхнего уровня ведра. Чтобы понять последствия увеличения транзакций load мы провели эксперимент со 100 000 аккаунтами и 4 validator. На рисунке 10 показан медленный рост задержки консенсуса. в то время как большая часть времени была потрачена на обновление реестра. Неудивительно, что по мере увеличения размера набора транзакций требуется больше времени, чтобы зафиксировать его в базе данных. Мы также отмечаем, что задержка обновления реестра сильно зависит от реализации, и зависит от выбора базы данных. Узлы валидатора Чтобы увидеть, как увеличивается количество тиронов validatorsвлияет на производительность, мы провели эксперименты со 100 000 учетных записей, 100 транзакциями в секунду и различным количеством validator от 4 до 43. Появились все validator. во всех слоях кворума validators; меньшие фрагменты кворума будут оказывают меньшее влияние на производительность.SOSP '19, 27–30 октября 2019 г., Хантсвилл, Онтарио, Канада Лохава и др. 100 150 200 250 300 350 0 500 1000 1500 2000 Нагрузка [транзакций/секунду] Задержка [мс] Обновление бухгалтерской книги Голосование Номинация Рисунок 10. Задержка при увеличении транзакционной нагрузки 10 20 30 40 0 500 1000 1500 2000 Валидаторы Задержка [мс] Обновление бухгалтерской книги Голосование Номинация Рисунок 11. Задержка при увеличении количества узлов Изменение количества проверяющих узлов в сети влияет на количество обмениваемых SCP-сообщений, а также количество потенциальных значений при номинации. Рисунок 11 показывает, что время выдвижения кандидатур растет относительно небольшими темпами. Хотя данные показывают, что голосование является узким местом, мы считают, что многие проблемы масштабирования можно решить, улучшив Оверлейная сеть Stellar для оптимизации сетевого трафика. Как ожидаемо, задержка обновления реестра оставалась независимой от количество узлов. Закрыть курс Наконец, мы хотели измерить сквозную производительность Stellar, измеряя, как часто регистры подтверждаются и достигает ли Stellar своего 5-секундного целевого показателя без отмена любых транзакций. Мы наблюдали среднее закрытие книги раз 5,03 с, 5,10 с и 5,15 с по мере увеличения счета записи, скорость транзакций и количество узлов соответственно. Результаты показывают, что Stellar может последовательно закрывать реестры. под высокой нагрузкой. 7.4 Запуск validator Одной из важных особенностей Stellar является низкая стоимость. запуск validator, поскольку якоря должны работать (или заключать контракт с) validators для обеспечения окончательности. SDF запускает 3 производственных validator, все на экземплярах AWS c5.large, которые имеют два ядра, 4 ГБ ОЗУ и процессор Intel(R) Xeon(R) Platinum 8124M Процессоры @ 3,00 ГГц. Проверка использования ресурсов на одном из этих машин мы наблюдали процесс Stellar, используя около 7% процессора и 300 МБ памяти. С точки зрения сетевого трафика: 28 подключений к узлам и размер кворума. из 34 входящие и исходящие скорости составляли 2,78 Мбит/с, а 2,56 Мбит/с соответственно. Аппаратное обеспечение, необходимое для запуска такого процедура недорогая. В нашем случае стоимость составляет $0,054/час. или около 40 долларов в месяц. 7,5 Будущая работа Эти эксперименты показывают, что Stellar может легко масштабироваться на 1–2 порядка. масштабов, превосходящих сегодняшнее использование сети. Потому что Требования к производительности на сегодняшний день настолько скромны, что Stellar оставляет место для многих простых оптимизаций с использованием известные методики. Например, транзакции и SCP сообщения транслируются validators с использованием наивного флуда протокол, но в идеале следует использовать более эффективный, структурированный одноранговая многоадресная рассылка [30]. Кроме того, большая база данных Время обновления реестра можно сократить с помощью стандартных методов пакетной обработки и предварительной выборки.
Заключение
Международные платежи стоят дорого и занимают несколько дней. Фонд хранение проходит через несколько финансовых учреждений, включая банки-корреспонденты и службы денежных переводов. Поскольку каждому переходу необходимо полностью доверять, новым пользователям сложно абитуриентам, чтобы завоевать долю рынка и конкурировать. Stellar шоу как дешево отправить деньги по всему миру за считанные секунды. Ключевым нововведением является новый протокол Византийского соглашения с открытым членством, SCP, который использует одноранговую структуру. финансовой сети для достижения глобального консенсуса под новая гипотеза Интернета. SCP позволяет Stellar атомарно зафиксировать необратимые транзакции между произвольными участниками, которые не знают друг друга и не доверяют друг другу. Это, в свою очередь, гарантирует новым участникам доступ к тем же рынкам, что и существующие. игроков, позволяет безопасно получить лучший доступный обмен ставки даже у ненадежных маркет-мейкеров, и резко уменьшает задержку платежа. Благодарности Stellar не был бы тем, чем он является сегодня, без раннего лидерство Джойс Ким или огромный вклад Скотт Флекенштейн и Бартек Новотарски в строительстве и поддержание горизонта, Stellar SDK и другие ключевые элементы экосистемы Stellar. Мы также благодарим Колтена Бержерона, Генри Корриган-Гиббс, Кэндис Келли, Капил К. Джайн, Борис Резников, Джереми Рубин, Кристиан Раддер, Эрик Сондерс, Торстен Штюбер, Томер Веллер, анонимные рецензенты и нашему пастуху Жюстин Шерри за полезные комментарии более ранние черновики. Отказ от ответственности Вклад профессора Мазьера в эту публикацию был сделан в качестве платного консультанта и не был частью его работы. Обязанности или ответственность Стэнфордского университета.
Быстрые и безопасные международные платежи с Stellar SOSP '19, 27–30 октября 2019 г., Хантсвилл, Онтарио, Канада
Часто задаваемые вопросы
- Что такое технический документ Stellar?
- Технический документ протокола консенсуса Stellar (SCP), написанный David Mazières в 2015 году, описывает систему федеративного византийского соглашения, обеспечивающую децентрализованный консенсус без закрытого набора валидаторов или майнинга на основе proof-of-work.
- Кто написал технический документ Stellar и когда?
- Технический документ SCP написан David Mazières — профессором Стэнфордского университета и главным учёным Stellar Development Foundation. Он был опубликован в 2015 году как официальная академическая статья.
- В чём заключается ключевое техническое новшество Stellar?
- Ключевая инновация Stellar — Federated Byzantine Agreement (FBA): модель консенсуса, в которой каждый узел выбирает собственный набор доверия (квorum-срез). Система выводит глобальный консенсус из пересечения индивидуальных решений о доверии без предопределённого списка валидаторов.
- Как работает механизм консенсуса Stellar?
- В SCP каждый узел выбирает квorum-срез доверенных партнёров. Консенсус достигается через фазу выдвижения (предложение значений) и фазу голосования (согласование единственного значения). Пересечение кворумов обеспечивает безопасность даже без глобального органа управления.
- Чем Stellar отличается от XRP?
- Stellar был сооснован Jed McCaleb (также сооснователем Ripple), но использует принципиально иную модель консенсуса. FBA Stellar допускает открытое участие в консенсусе, тогда как XRP требует, чтобы валидаторы входили в заранее согласованный Unique Node List.
- Какова модель эмиссии Stellar?
- Stellar имеет фиксированное предложение в 50 миллиардов XLM (сокращённое со 100 миллиардов после голосования сообщества за сжигание 55 миллиардов). Инфляционного механизма нет. Небольшие базовые комиссии (0,00001 XLM) аккумулируются в пуле сборов и не сжигаются.
- Каковы основные варианты использования Stellar?
- Stellar ориентирован на трансграничные платежи, токенизацию активов и финансовую доступность. Он обеспечивает коридоры денежных переводов, нативно поддерживает USDC и позволяет выпускать стейблкоины, ценные бумаги и CBDC (цифровые валюты центральных банков).
- Какую проблему решает Stellar?
- Stellar устраняет барьеры стоимости и скорости международных денежных переводов, особенно для людей без банковских счетов. Его сеть обеспечивает расчёты за 3–5 секунд с комиссиями в доли цента, делая микроплатежи экономически целесообразными.
- Как устроена модель безопасности Stellar?
- Безопасность Stellar основана на пересечении кворумов — перекрытии наборов доверия по всей сети. Пока между квorum-срезами существует достаточное перекрытие, сеть сохраняет безопасность. Отдельные узлы могут переносить сбои своих доверенных партнёров.
- Каково текущее состояние экосистемы Stellar?
- Экосистема Stellar включает интеграцию с MoneyGram, нативную поддержку USDC, Soroban (платформу для смарт-контрактов) и партнёрства с финансовыми учреждениями на развивающихся рынках. Stellar Development Foundation продолжает продвигать внедрение платёжных решений и токенизации активов.