Réaliser la responsabilité, la reconfiguration, l'aléatoire et le leadership secret dans les systèmes distribués tolérants aux fautes byzantines

Achieving accountability, reconfiguration, randomness, and secret leadership in byzantine fault tolerant distributed systems

• Auteur / Autrice : Luciano Freitas de Souza
• Direction : Petr Kuznetsov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 17/12/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....) - Laboratoire de Traitement et Communication de l'Information
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Sutra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Sutra, Christian Cachin, Gregory Chockler, Janna Burman, Colette Johnen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Cachin, Gregory Chockler

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tolérance aux fautes (informatique)

Traitement réparti

Systèmes à paramètres répartis

Mots clés libres

Tolérance aux fautes Byzantines

Accord en treillis

Nombres aléatoires

Élection secrète d'un seul leader

Byzantine fault-Tolerance

Lattice agreement

Random numbers

Single Secret Leader Election

Résumé

Cette thèse explore trois problèmes fondamentaux en informatique distribuée. La première contribution porte sur les systèmes repartis responsables et reconfigurables qui détectent et répondent aux défaillances des composants. Un cadre pour l’implémentation de services répliqués responsables et reconfigurables, en tirant parti de l’abstraction de l’accord de treillis est présente. L’implémentation asynchrone garantit que toute violation de la cohérence est suivie par une preuve indéniable de mauvaise conduite, permettant une reconfiguration transparente du système. La deuxième contribution aborde l’ élection de leader dans des environnements partiellement synchrones. Le Tirage au Sort Homomorphe, le premier protocole SSLE pour les blockchains partiellement synchrones est introduite. En utilisant le Chiffrement Totalement Homomorphe à Seuil (ThFHE), ce protocole prend en charge diverses distributions d’enjeu et une exécution hors chaîne efficace, résolvant les problèmes d’instabilité du réseau. De plus, une abstraction de Permutation de Leader Secrète (SLP) pour assurer des leaders non répétitifs dans certaines blockchains, améliorant les performances et la terminaison du consensus est proposée. Enfin, la thèse explore la génération de nombres aléatoires dans les systèmes distribués, en se concentrant sur la primitive de la pièce commune. Reconnaissant son impossibilité dans des environnements asynchrones sujets aux pannes, deux versions assouplies sont introduites : la pièce commune approximative et la pièce commune de Monte Carlo. Ces abstractions fournissent des solutions efficaces et évolutives, tolérant jusqu’ à un tiers de processus byzantins sans nécessiter de setup de confiance ou d’infrastructure à clé publique. En appliquant notre protocole de pièce commune de Monte Carlo dans l’accord binaire byzantin, j’obtiens une complexité de communication améliorée, établissant une nouvelle référence. Toutes ces contributions font progresser la robustesse, l’efficacité et la fiabilité des systèmes repartis, en fournissant de nouvelles méthodes pour gérer la responsabilité, l’élection de leader et la génération de nombres aléatoires dans les systèmes sans synchronie.

This thesis explores three fundamental problems in distributed computing. The first contribution focuses on accountable and reconfigurable distributed systems that detect and respond to component failures. A framework for implementing accountable and reconfigurable replicated services, leveraging the lattice agreement abstraction is presented. The asynchronous implementation ensures any consistency violation is followed by undeniable evidence of misbehavior, enabling seamless system reconfiguration. The second contribution addresses leader election in partially synchronous environments. Homomorphic Sortition, the first SSLE protocol for partially synchronous blockchains is introduced. Using Threshold Fully Homomorphic Encryption (ThFHE), this protocol supports diverse stake distributions and efficient off-chain execution, addressing network instability issues. Additionally, a Secret Leader Permutation (SLP) abstraction to ensure non-repeating leaders in certain blockchains, improving performance and consensus termination is proposed. Finally, the thesis explores randomness generation in distributed systems, focusing on the common coin primitive. Recognizing its impossibility in asynchronous, fault-prone environments, two relaxed versions are introduced: the approximate common coin and the Monte Carlo common coin. These abstractions provide efficient, scalable solutions tolerating up to one-third Byzantine processes without requiring trusted setup or public key infrastructure. Applying our Monte Carlo common coin protocol in binary Byzantine agreement achieves improved communication complexity, setting a new standard. All these contributions advance the robustness, efficiency, and reliability of distributed systems, providing new methods to handle accountability, leader election, and randomness generation in the lack of synchrony.