Vers des protocoles de tolérance aux fautes Byzantines efficaces et robustes

par Pierre-Louis Aublin

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Vivien Quéma.

Le président du jury était Noël de Palma.

Le jury était composé de Pierre Sens, Sonia Ben Mokhtar, Françoise Baude.

Les rapporteurs étaient Gilles Muller, Xavier Défago.


  • Résumé

    Les systèmes d'information deviennent de plus en plus complexes et il est difficile de les garantir exempts de fautes. La réplication de machines à états est une technique permettant de tolérer les fautes, quelque soit leur nature, qu'elles soient logicielles ou matérielles. Cette thèse traite des protocoles de réplication de machines à états tolérant les fautes arbitraires, également appelées Byzantines. Ces protocoles doivent relever deux défis : (i) ils doivent être efficaces, c'est-à-dire que leurs performances doivent être les meilleurs possibles, afin de masquer le coût supplémentaire dû à la réplication et (ii) ils doivent être robustes, c'est-à-dire qu'une attaque ne doit pas faire baisser leurs performances de manière importante. Dans cette thèse nous observons qu'aucun protocole ne relève ces deux défis en même temps : les protocoles que nous connaissons aujourd'hui sont soit conçus pour être efficaces au détriment de leur robustesse, soit conçus pour être robustes au détriment de leurs performances. Une première contribution de cette thèse est la conception d'un nouveau protocole qui réunit le meilleur des deux mondes. Ce protocole, R-Aliph, combine un protocole efficace mais peu robuste avec un protocole robuste afin de fournir un protocole à la fois efficace et robuste. Nous évaluons ce protocole de manière expérimentale et montrons que ses performances en cas d'attaque sont égales aux performances du protocole robuste sous-jacent. De plus, ses performances dans le cas sans faute sont très proches des performances du protocole connu le plus efficace : la différence maximale de débit est inférieure à 6%. Dans la seconde partie de cette thèse nous observons que les protocoles conçus pour être robustes sont peu robustes en réalité. En effet, il est possible de concevoir une attaque dans laquelle leur perte de débit est supérieure à 78%. Nous identifions le problème de ces protocoles et nous concevons un nouveau protocole plus robuste que les précédents : RBFT. L'idée de base de ce protocole est d'exécuter en parallèle plusieurs instances d'un même protocole. Les performances de ces différentes instances sont surveillées de près afin de détecter tout comportement malicieux. Nous évaluons RBFT dans le cas sans faute et en cas d'attaque. Nous montrons que ses performances dans le cas sans faute sont comparables aux performances des protocoles considérés comme robustes. De plus, nous observons que la dégradation maximale de performance qu'un attaquant peut causer sur le système est inférieure à 3%, même dans le cas de la pire attaque possible.

  • Titre traduit

    Efficient and Robust Byzantine Fault Tolerant Replication Protocols


  • Résumé

    Information systems become more and more complex and it is difficult to guarantee that they are bug-free. State Machine Replication is a technique for tolerating faults, regardless their nature, whether they are software or hardware faults. This thesis studies Fault Tolerant State Machine Replication protocols that tolerate arbitrary, also called Byzantine, faults. These protocols face two challenges: (i) they must be efficient, i.e., their performance have to be the best ones, in order to mask the cost of the replication and (ii) they must be robust, i.e., an attack should not cause an important performance degradation. In this thesis, we observe that no protocol addresses both of these challenges: current protocols are either designed to be efficient but fail to be robust, or designed to be robust but exhibit poor performance. A first contribution of this thesis is the design of a new protocol which achieves the best of both worlds. This protocol, R-Aliph, combines an efficient but not robust protocol with a protocol designed to be robust. The result is a protocol that is both robust and efficient. We evaluate this protocol experimentally and show that its performance under attack equals the performance of the underlying robust protocol. Moreover, its performance in the fault-free case is close to the performance of the best known efficient protocol: the maximal throughput difference is less than 6%. In the second part of this thesis we analyze the state-of-the-art robust protocols and demonstrate that they are not effectively robust. Indeed, one can run an attack on each of these protocols such that the throughput loss is at least equal to 78%. We identify the problem of these protocols and design a new, effectively robust, protocol called RBFT. The main idea of this protocol is to execute several instances of a robust protocol in parallel and closely monitor their performance, in order to detect a malicious behaviour. We evaluate RBFT in the fault-free case and under attack. We observe that its performance in the fault-free case is equivalent to the performance of the other so-called robust BFT protocols. Moreover, we show that the maximal throughput degradation, under the worst possible attack, is less than 3%.


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