Calibra首席研究員：LibraBFT算法尚存在安全與活性漏洞，Twins系統可嘗試解決_CAL

寫在前面：原文作者是LibraCalibra數字貨幣錢包項目的首席研究員DahliaMalkhi，在這篇文章中，她介紹了Calibra團隊最新研發的Twins拜占庭容錯系統檢測方法，以用于檢測LibraBFT算法的相關安全及活性漏洞。

以下是譯文：

使用拜占庭容錯算法設計分布式協議并非是一件易事。

BFT模型是一個分布式系統，其中故障節點可以任意的、完全無約束的方式運行。然而，當拜占庭節點的偏離行為不可檢測時，它們很可能成功地破壞了BFT協議。也就是說，最強大的拜占庭攻擊實際是來自內部：攻擊者發送具有正確格式的消息，并且它們與其他節點的交互似乎也遵循了協議。

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實際上，在對BFT協議的幾種已知攻擊中中，拜占庭節點以簡單的方式偏離了正確的行為：它們表現為模棱兩可、省略消息，以及刪除內部狀態變量等。

Calibra的Twins解決方案

利用這種洞察力，Calibra開發了Twins，一種用于BFT測試的“重要”方法。

Twins系統地生成有趣的拜占庭行為，這些行為可以被有效地枚舉和測試，它放棄了對協議的無趣偏離，例如發送格式錯誤的消息或發送不合理的消息，而誠實的接收者很容易拒絕這些消息。

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最重要的是，沒必要去開發攻擊邏輯來使用Twins測試。節點執行未經修改的正確代碼來攻擊系統。Twins測試人員只是通過部署攻擊節點的兩個實例，而不是一個實例來“錯誤配置”系統。兩個實例使用相同的標識，因此，對于系統的其余部分節點而言，“孿生”節點顯示為單個“行為不正常”的節點。

關于有趣的拜占庭行為

為了演示如何覆蓋有趣的拜占庭行為，讓我們設計一個簡單的服務：一個只有一個條目的鍵-值存儲。我們希望鍵-值存儲能夠容忍n=3f+1臺服務器中的f臺拜占庭式服務器，這與解決共識所需的數量相同。

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為了簡化任務，我們將讓客戶端在請求更新存儲值時簽署更新。因此，拜占庭服務器將無法編造非法值，因為它無法偽造客戶端的簽名，但它可能會用過時的值響應查詢，或者它根本不會響應。

存儲協議：客戶端更新存儲值的協議有兩個階段：第一階段，客戶端為獲取最新version在3f+1臺服務器中查詢2f+1臺服務器。在第二階段，客戶端請求3f+1服務器中的2f+1臺服務器，將存儲值更新至versionv+1。

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讓我們看一個例子。假設有四臺服務器{A，B，C，D}，其中C是拜占庭式的。第一個客戶端連接到網絡，向{A，B，C}查詢當前version(為0)。客戶端存儲version=1的第一個值，并從{A，B，C}接收確認。第二個客戶端查詢{B，C，D}以獲得當前version。我們說C是拜占庭式的，它可能說謊并返回version0，隱藏version1。這樣就是沒問題的，因為B服務器會返回version1。

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查詢協議：現在我們需要處理服務器的查詢問題。問題是，當客戶端查詢服務器時，它可能會捕獲未完成的更新。例如，假設到目前為止，version2只寫到{A，C}。查詢{A，C，D}的客戶端將從C獲得包含version2的響應。但是，如果客戶端查詢{B，C，D}，由于C是拜占庭式的，并且它可能會隱藏version2，則僅返回version1。更糟糕的是，C可能會來回切換，使用version2來響應某些客戶端，而對其他客戶端則保持隱藏狀態。

為了解決這個問題，我們將在查詢協議中使用兩個階段：第一階段，客戶端為當前version查詢2f+1臺服務器，第二階段將最高的version寫回給2f+1臺服務器。這樣，假設客戶端查詢{A,C,D}，并返回version2。那它就將version2寫回給2f+1臺服務器，比如{A,C,D}，從而保證version2的更新已經完成。

注：由于解決鍵-值存儲一直不是我們的重點，我們掩蓋了上面的某些細節。另外，作為補充說明，在n=3f+1的情況下，解決鍵-值存儲問題不需要客戶端簽名，請參閱此處的示例解決方案。

有趣場景的系統生成

注意我們在設計鍵-值存儲時所做的一些事情：

我們創建了一些簡單的場景，每個場景都有少量的服務器和少量的交換步驟；

在每個交換步驟中，我們選擇f臺服務器來進行排除：第一個客戶端從階段1和階段2中排除{D}，第二個客戶端從階段1中排除{A}，依此類推；

我們允許拜占庭服務器C返回到舊狀態并用舊值響應；

將上述內容放入一個結構化的場景中，我們通過拜占庭式服務器創建了以下一系列的交換，分區和“內部狀態遺忘”：

Exchange1:client-1phase-1with{A,B,C};

Exchange2:client-1phase-2with{A,B,C};

Exchange3:client-2phase-1with{B,C,D};

Exchange4(partial):client-2phase-2with{A,C}(andcrash);

Exchange5:client-3with{B,C,D},Chasitsinternalstateerased.

Twins系統地生成類似上面的場景，并通過拜占庭節點的孿生實例模擬遺忘等行為。重要的是，對于相當小的場景，Twins可以有效地枚舉上述場景，以暴露協議漏洞。

總結

使用拜占庭容錯算法設計分布式協議并不容易。數十年來，研究人員一直在努力應對令人擔憂的安全與活性漏洞，在某些情況下，這些漏洞需要花上數十年的時間才能夠被人發現。

Twins是一種新的BFT測試方法，它覆蓋了很多拜占庭式攻擊，關于該方案的具體設計，讀者可以看原論文。

Twins:White-GloveApproachforBFTTesting：https://arxiv.org/pdf/2004.10617.pdf

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