Calibra首席研究员：LibraBFT算法或存在安全与活性漏洞，Twins系统可尝试解决

写在前面：原文作者是Libra Calibra数字货币钱包项目的首席研究员Dahlia Malkhi，在这篇文章中，她介绍了Calibra团队最新研发的Twins拜占庭容错（BFT）系统检测方法，以用于检测LibraBFT算法的相关安全及活性漏洞。

（ Calibra首席研究员Dahlia Malkhi）

以下是译文：

使用拜占庭容错（BFT）算法设计分布式协议并非是一件易事。

BFT模型是一个分布式系统，其中故障节点可以任意的、完全无约束的方式运行。 然而，当拜占庭节点的偏离行为不可检测时，它们很可能成功地破坏了BFT协议。也就是说，最强大的拜占庭攻击实际是来自内部 ： 攻击者发送具有正确格式的消息，并且它们与其他节点的交互似乎也遵循了协议 。

实际上，在对BFT协议的几种已知攻击中（例如 论文1 和 论文2 ）中，拜占庭节点以简单的方式偏离了正确的行为：它们表现为模棱两可（通过向不同的接收者发送不同的消息）、（向某些接收者）省略消息，以及删除内部状态变量等。

Calibra的Twins解决方案

利用这种洞察力，Calibra开发了Twins，一种用于BFT测试的“重要”方法。

Twins系统地生成有趣的拜占庭行为，这些行为可以被有效地枚举和测试，它放弃了对协议的无趣偏离，例如发送格式错误的消息或发送不合理的消息，而诚实的接收者很容易拒绝这些消息。

最重要的是，没必要去开发攻击逻辑来使用Twins 测试。节点执行未经修改的正确代码来攻击系统。Twins测试人员只是通过部署攻击节点的两个实例，而不是一个实例来“错误配置”系统。两个实例使用相同的标识（网络地址、签名密钥），因此，对于系统的其余部分节点而言，“孪生”节点显示为单个“行为不正常”的节点。

关于有趣的拜占庭行为

为了演示如何覆盖有趣的拜占庭行为，让我们设计一个简单的服务：一个只有一个条目的键-值存储（K-V store）。我们希望键-值存储能够容忍 n=3f+1 台服务器中的 f 台拜占庭式服务器，这与解决共识所需的数量相同。

为了简化任务，我们将让客户端在请求更新存储值时签署更新。因此，拜占庭服务器将无法编造非法值，因为它无法伪造客户端的签名，但它可能会用过时的值响应查询，或者它根本不会响应。

存储协议 ：客户端更新存储值的协议有两个阶段：第一阶段，客户端为获取最新version（v）在3f+1台服务器中查询2f+1台服务器。在第二阶段，客户端请求3f+1服务器中的2f+1台服务器，将存储值更新至version v+1 。

让我们看一个例子。假设有四台服务器{A，B，C，D}，其中C是拜占庭式的。第一个客户端连接到网络，向{A，B，C}查询当前version(为0)。客户端存储version=1的第一个值，并从{A，B，C}接收确认。第二个客户端查询{B，C，D}以获得当前version。我们说C是拜占庭式的，它可能说谎并返回version 0，隐藏version 1。这样就是没问题的，因为B服务器会返回version 1。

查询协议 ：现在我们需要处理服务器的查询问题。问题是，当客户端查询服务器时，它可能会捕获未完成的更新。例如，假设到目前为止，version 2只写到{A，C}。查询{A，C，D}的客户端将从C获得包含version 2的响应。但是，如果客户端查询{B，C，D}，由于C是拜占庭式的，并且它可能会隐藏version 2，则仅返回version 1。更糟糕的是，C可能会来回切换，使用version 2来响应某些客户端，而对其他客户端则保持隐藏状态。

为了解决这个问题，我们将在查询协议中使用两个阶段：第一阶段，客户端为当前version查询2f+1台服务器，第二阶段将最高的version写回给2f+1台服务器。这样，假设客户端查询 {A, C, D}，并返回version 2。那它就将version 2 写回给2f+1台服务器，比如 {A, C, D}，从而保证version 2的更新已经完成。

注：由于解决键-值存储一直不是我们的重点，我们掩盖了上面的某些细节。另外，作为补充说明，在n=3f+1的情况下，解决键-值存储问题不需要客户端签名，请参阅 此处 的示例解决方案。

有趣场景的系统生成

注意我们在设计键-值存储时所做的一些事情：

1. 我们创建了一些简单的场景，每个场景都有少量的服务器和少量的交换步骤；
2. 在每个交换步骤中，我们选择f台服务器来进行排除：第一个客户端从阶段1和阶段2中排除{D}，第二个客户端从阶段1中排除{A}，依此类推；
3. 我们允许拜占庭服务器C返回到旧状态并用旧值响应；

将上述内容放入一个结构化的场景中，我们通过拜占庭式服务器创建了以下一系列的交换，分区和“内部状态遗忘”：

1. Exchange 1: client-1 phase-1 with {A,B,C};
2. Exchange 2: client-1 phase-2 with {A,B,C};
3. Exchange 3: client-2 phase-1 with {B,C,D};
4. Exchange 4 (partial): client-2 phase-2 with {A,C} (and crash);
5. Exchange 5: client-3 with {B,C,D}, C has its internal state erased.

Twins系统地生成类似上面的场景，并通过拜占庭节点的孪生实例模拟遗忘等行为。重要的是，对于相当小的场景，Twins可以有效地枚举上述场景，以暴露协议漏洞。

总结

使用拜占庭容错（BFT）算法设计分布式协议并不容易。数十年来，研究人员一直在努力应对令人担忧的安全与活性（liveness）漏洞，在某些情况下，这些漏洞需要花上数十年的时间才能够被人发现。

Twins是一种新的BFT测试方法，它覆盖了很多（但并非全部）拜占庭式攻击，关于该方案的具体设计，读者可以看原论文。

Twins: White-Glove Approach for BFT Testing ： https://arxiv.org/pdf/2004.10617.pdf