Multi-objective optimization of committee selection for hierarchical Byzantine fault tolerance-based consensus protocols

Abstract

Decentralized platforms like blockchain have been attracting significant attention in recent years, especially in the contextof financial and payment systems. They are designed to provide a transparent, secure, and reliable environment for digital transactions without the need for a central authority. The core of a decentralized platform like blockchain is a consensus layer that allows all participants (called Workers), whoproperly operate and follow all network protocols and have access to the same stateof the distributed ledger, to coordinate their actions and arrive at the same decisions.However, some Workersmaybe temporarilyoffline at their own discretion, without any confirmation, or their work may be faulty due to technical circumstances, resulting in unpredictable behavior.The goal of this articleis to present an approach for multi-objective optimizing ofByzantine fault tolerance (BFT)-based consensus protocols,to reduce the impact on the network of faultyparticipants. Two criteria were considered –minimization of the number of sent service messages,and maximization of the mathematical expectation of the number of produced blocks.The result isa method to determine the optimal committee size and distribution of Workers,depending on their total number in the network and the expected proportionof Byzantine faultynodes.All protocol amendments presented in this work are tested with corresponding simulation models and have demonstrated notable enhancements in the performance of the system and decreased the load on network nodes. These improvementswill be implemented to the consensus protocol Gozalandia on the Waterfall platform,enhancingits overall reliability, performance, and security. In addition, the presented optimizing algorithm can be applied to a wide range of consensus protocols in blockchains,where blocks mustbe signed by randomly selectedcommitteesto confirmtheir validity.

Останніми роками децентралізовані платформи, такі як блокчейн, привертають значну увагу, особливо в контексті фінансових і платіжних систем. Вони створені для забезпечення прозорого, безпечного та надійного середовища для цифрових транзакцій без необхідності центрального органу. Ядром такої децентралізованої платформи, як блокчейн, є консенсусний рівень, який дозволяє всім учасникам (так званим Воркерам), які належним чином працюють і дотримуються всіх мережевих протоколів, координувати свої дії та приймати одні й ті самі рішення, маючи однаковий стан розподіленого леджеру. Однак деякі з Воркерів можуть тимчасово перебувати в автономному режимі без будь-якого підтвердження, на власний розсуд, або погано працювати через технічні обставини з непередбачуваною поведінкою. Метою цієї статті є представлення підходу до багатоцільової оптимізації консенсусних протоколів на основі візантійської відмовостійкості (BFT), щоб зменшити вплив на мережу таких фолтних учасників. Розглядалися два критерії:мінімізація кількості відправлених службових повідомлень і максимізація математичного сподівання кількості створених блоків. Результатом є метод визначення оптимального розміру комітету та розподілуВоркерівзалежно від їх загальної кількості в мережі та очікувану пропорції фолтних вузлів. Усі поправки до протоколу, представлені в цій роботі, протестовані на відповідних імітаційних моделях і продемонстрували значне підвищення продуктивності системи та зниження навантаження на вузли мережі. Ці вдосконалення буде впроваджено в консенсусний протоколGozalandia на платформі Waterfall, підвищуючи його загальну надійність, продуктивність і безпеку. Крім того, представлений алгоритм оптимізації може бути застосований до широкого діапазону консенсусних протоколів у блокчейнах, де блоки повинні бути підписані випадково вибраними комітетами щодо їх дійсності