Le k-accord dans un système distribué

K-set agreement in distributed system

• Auteur / Autrice : Mouna Safir
• Direction : Hugues Fauconnier, Alexandre Maurer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mathématiques de Paris centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en informatique fondamentale (Paris ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Fraigniaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdellatif Kobbane, Colette Johnen, Yahya Benkaouz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alessia Milani, Stéphane Devismes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tolérance aux fautes (informatique)

Algorithmes

Traitement réparti

Mots clés libres

Systèmes distribués

Consensus

Algorithmes d'accord

K-Accord

Comportement Byzantin

Propriété de Strong Validity

Résolvabilité

Algorithmes optimisés

Défaillances

Distributed systems

Consensus

Agreement algorithms

K-Set agreement

Byzantine behavior

Strong Validity property

Solvability

Optimized algorithms

Failures

Résumé

Les systèmes distribués sont constitués de processus qui collaborent et sont à la base de nombreux services modernes, allant de la banque en ligne aux médias sociaux. Un défi central dans ces systèmes est d'atteindre un consensus pour tous les ordinateurs ou processus. Ce défi est relevé par les algorithmes d'accord, ils jouent un rôle important dans l'assurance du bon fonctionnement d'un système distribué. Ces algorithmes aident à assurer et maintenir la cohérence et fiabilité dans le système. Dans cette thèse, notre préoccupation portait sur le problème du k-accord. Ce problème est une généralisation du problème de consensus conventionnel, il se concentre sur l'obtention d'un accord parmi les processus, où l'accord porte sur au plus k valeurs, k = 1 étant le consensus. La tâche devient complexe lorsque certains processus sont défaillants : soit en tombant en panne (il cesse prématurément et de façon définitive son exécution), soit en se comportant de manière imprévisible. Ces derniers sont appelés comportements Byzantins. Notre objectif est de clarifier les conditions sous lesquelles le k-accord peut être résolu et de délimiter ses limites de résolution. Nous reconnaissons l'importance de la propriété de validité dans la détermination de la résolution et nous nous concentrons sur la propriété de validité forte (Strong Validity en anglais). Cette propriété est vitale lorsqu'il s'agit de relever les défis posés par les processus Byzantins, qui sont connus pour leurs comportements arbitraires. Une réalisation clé de notre recherche est la cartographie quasi-complète de la résolution de l'accord du k-accord. Grâce à de nouveaux algorithmes améliorés, nous avons amélioré l'efficacité du k-accord, en particulier dans des environnements caractérisés par des comportements Byzantins et des délais de transmission des messages limités. Ces environnements sont incorporés dans le système de transmission de messages synchrones Byzantins, et peut être authentifié ou non. Bien que notre principal intérêt était le système de transmission de messages synchrones Byzantins, nous avons également exploré des environnements asynchrones caractérisés par l'imprévisibilité des transmissions de messages et des éventuelles pannes de processus. Ici, nous avons étendu les solutions pour relever ces défis, comblant les lacunes laissées par les études précédentes. En résumé, notre étude offre une analyse exhaustive sur l'accord de k-accord au sein d'un système de transmission de messages synchrones Byzantins, à travers des algorithmes innovants et optimaux.

Distributed systems are collections of processes that collaborate. They are behind many modern services, from online banking to social media. A central challenge in these systems is achieving consensus among all computers or processes. This challenge is addressed by agreement algorithms. They play an important role in ensuring the smooth operation of a distributed system. These algorithms help to ensure and maintain consistency and reliability across the system. In this thesis, our primary focus was on the k-set agreement problem. This problem is a generalization of the conventional consensus problem, it centers on achieving an agreement among processes, where the agreement is on at most k values, with k = 1 being the consensus. The task made complex when certain processes either crash or exhibit unpredictable behavior, known as Byzantine behavior. Our objective was to clarify the conditions under which the k-set agreement can be resolved and to delineate its solvability limits. We recognize the importance of the validity property in determining solvability and focus on the Strong Validity property. This property is vital when addressing the challenges posed by Byzantine processes, which are known for their impracticable behaviors. A key achievement of our research is the comprehensive mapping of the solvability of the k-set agreement. Through new and improved algorithms, we have boosted the efficiency of k-set agreement, especially in environments characterized by Byzantine behaviors and bounded message delays, encapsulated in the Byzantine synchronous message passing system, both in authenticated and unauthenticated environment. Although our primary focus was the Byzantine synchronous message passing system, we also explored asynchronous environments characterized by the unpredictability of message deliveries and potential process crashes. Here, we extended the solutions to address these challenges, filling gaps left by prior studies. To summarize, our study offers an exhaustive analysis on the k-set agreement within a Byzantine Synchronous message passing system, through innovative and optimal algorithms.