An efficient byzantine fault tolerant agreement protocol for distributed realtime systems

Der Einsatz von verteilten (Echtzeit-) Systemen ist in vielen Bereichen der Industrie nicht mehr wegzudenken, wie etwa in der Medizintechnik, der Kraftfahrzeugtechnik, der Flug-technik oder Automatisierungstechnik. Weiterhin kann man davon ausgehen, dass sich im Zuge der fortschreitenden Technologieentwicklung der Einsatzbereich von verteilten (Echtzeit-) Systemen auch in anderen Bereichen der Industrie weiter ausdehnen wird. Da in solchen Systemen jederzeit Fehler auftreten können, welche die Zuverlässigkeit und Sicherheit beeinträchtigen, müssen geeignete Fehlertoleranz-Verfahren entwickelt und eingesetzt werden. Ferner unterliegen viele sicherheitskritische Anwendungen harten Echtzeitanforderungen und zugleich deutlichen Kostenrestriktionen. In solchen Anwendungen spielt für die praktische Umsetzbarkeit nicht einzig die Fehlertoleranzfähigkeit eine entscheidende Rolle, sondern ebenfalls der von Fehlertoleranzverfahren verursachte Kommunikationsaufwand in Form von Nachrichten-, Knoten- und Speicheroverhead. Das Byzantinische Übereinstimmungsproblem stellt eines der wichtigsten zu lösenden Probleme in fehlertoleranten verteilten Systemen dar. Obwohl das Byzantinische Übereinstimmungsproblem gut erforscht ist und viele Lösungen unter verschiedenen Systemmodellannahmen existieren, stellt die Entwicklung effizienter Lösungen bis heute eine anspruchsvolle Aufgabe dar, die abhängig vom Fehler- und Timing-Modell sowie von den Aufwands- und Kostengrenzen alles andere als trivial zu lösen ist. Die vorliegende Arbeit untersucht Techniken und Strategien zur Entwicklung effizienter Übereinstimmungsprotokolle für verteilte (vorwiegend drahtlose) Echtzeitsysteme, und stellt hierzu zwei Lösungen vor. Im ersten Lösungsansatz wird ein neuartiges rundenbasiertes Übereinstimmungsprotokoll – ESSEN genannt – vorgestellt, das für synchrone verteilte Systeme effizient erbeitet. ESSEN löst das Byzantinische Übereinstimmungsproblem in Anwesenheit von bis zu f willkürlichen Fehlern (kooperierende Byzantinische Fehler inbegriffen). Hierzu benötigt ESSEN mindesten n >= 3f + max(0,f-2) Knoten. Außerdem stellt das Übereinstimmungsprotokoll ESSEN den ersten Lösungsansatz dar, welcher das Byzantinische Übereinstimmungsproblem unab-hängig von der Anzahl der zu tolerierenden Fehler in einer Runde löst. Obwohl ESSEN eine effiziente Lösung darstellt, lag die Vermutung nahe, dass durch den Einsatz eines geeigneten Signaturverfahrens eine weitere Verbesserung bzgl. der Kommuni-kationskomplexität erzielt werden kann. Folglich wurde im zweiten Teil der Arbeit ein weiterer Lösungsansatz entwickelt, mit dessen Hilfe sich die Kommunikationskomplexität von Übereinstimmungsprotokollen weiter reduzieren lässt (von ESSEN abweichende Übereinstimmungsprotokolle eingeschlossen). Im zweiten Lösungsansatz wurde zur Verbesserung der Kommunikationskomplexität von ESSEN ein neuartiges Verfahren zur Erzeugung und Prüfung von Signaturen (kurz: Signatur-verfahren) – SigSeam genannt – vorgestellt, welches mehrere Signaturen zu einer einzigen Signatur zusammenfasst, ohne die Nachrichtengröße hierdurch zu verändern. Im Rahmen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Signaturverfahren SigSeam in der Lage ist, die Kommunikationskomplexität von Übereinstimmungsprotokollen signifikant zu reduzieren. Dies betrifft sowohl die Nachrichtenlänge wie auch die Nachrichtenanzahl, die beide reduziert werden können. Allerdings benötigt SigSeam im Vergleich zu herkömmlichen Signatur-verfahren für eine einzelne Signatur eine um ca. 25 Prozent höhere Informationsredundanz, wenn eine gleich gute Fehlerfassung wie bei diesen erzielt werden soll. Insgesamt konnte mit den beiden Lösungen ESSEN und SigSeam das Ziel der Effizienz-steigerung von Übereinstimmungsprotokollen für verteilte (Echtzeit-) Systeme erreicht werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass das Prinzip der Signaturverschmelzung zur Reduzierung der Kommunikationskomplexität prinzipiell auf einen Großteil der existierenden Übereinstimmungsprotokolle angewendet werden kann.Using distributed (real-time) systems has become an integral part of industrial applications such as medical technology, automotive engineering, aeronautics and automation engineering. Along with the progress of technological development, it can be expected that the field of distributed (real-time) systems extends to other areas of industrial applications. This is a result of continuous technological advances. Given the fact that malfunctions in a distributed system (which can compromise the reliability and safety of systems) cannot be completely avoided, fault-tolerant mechanisms have to be developed and applied. Furthermore, many safety-critical applications are hard real-time applications and subject to cost restrictions. Therefore, for the practical usability of a distributed system with real-time requirements all of the following properties can become crucial: the fault tolerance capability, the communication complexity in terms of the number of required nodes, overall communication overhead as well as the overhead caused by the message storage. The Byzantine agreement problem has been exposed as one of the most fundamental issues to be solved. However, solving the Byzantine agreement problem in an efficient way in terms of communication complexity is still a challenging task. The following thesis deals with techniques and strategies for designing efficient fault-tolerant Byzantine agreement protocols primarily for wireless distributed real-time applications. In this paper two new solutions are presented, evaluated, and proven as correct. In the first approach, a novel synchronous single-round-based agreement protocol – called ESSEN – is presented, which copes with f arbitrary faults (including cooperative Byzantine faults) using at least n >= 3 f + max(0, f-2) nodes. Moreover, this is the first approach which solves the Byzantine agreement problem in a single broadcast round independent of the number of tolerated faults. Following this, we present a novel signature generation technique, called SigSeam, to merge several signatures into a single one, which is the topic of the second part of this thesis. This advantage opens a design space for agreement protocols with significantly reduced message overhead. Moreover, the new signature technique can also be applied to existing agreement and/or consensus protocols without affecting the fault tolerance properties of the protocol.Within the framework of this thesis it could be shown that the proposed signature technique with merging functionality significantly improves the efficiency of agreement protocols. However, to achieve a fault coverage comparable to conventional signature techniques, SigSeam requires approximately 25 percent more information redundancy. Altogether, the goal of improving the efficiency of agreement protocols has been achieved