Modern Byzantine Fault-Tolerant State Machine Replication (BFT-SMR) solutions focus on reducing communication complexity, improving throughput, or lowering latency. This work explores the energy efficiency of BFT-SMR protocols. First, we propose a novel SMR protocol that optimizes for the steady state, i.e., when the leader is correct. This is done by reducing the number of required signatures per consensus unit and the communication complexity by order of the number of nodes n compared to the state-of-the-art BFT-SMR solutions. Concretely, we employ the idea that a quorum (collection) of signatures on a proposed value is avoidable during the failure-free runs. Second, we model and analyze the energy efficiency of protocols and argue why the steady-state needs to be optimized. Third, we present an application in the cyber-physical system (CPS) setting, where we consider a partially connected system by optionally leveraging wireless multicasts among neighbors. We analytically determine the parameter ranges for when our proposed protocol offers better energy efficiency than communicating with a baseline protocol utilizing an external trusted node. We present a hypergraph-based network model and generalize previous fault tolerance results to the model. Finally, we demonstrate our approach's practicality by analyzing our protocol's energy efficiency through experiments on a CPS test bed. In particular, we observe as high as 64% energy savings when compared to the state-of-the-art SMR solution for n=10 settings using BLE.


翻译:现代拜占庭容错状态机复制(BFT-SMR)解决方案侧重于降低通信复杂度、提高吞吐量或降低延迟。本研究探讨了BFT-SMR协议的能源效率。首先,我们提出一种优化稳态的新型SMR协议,即当领导者正确时。这是通过将所需的每个共识单元的签名数量和通信复杂度降低n次来实现的,与现有BFT-SMR解决方案相比。具体来说,我们使用一种想法,即避免在无故障运行期间对所提议的值的大部分签名进行调查。其次,我们对协议的能源效率进行建模分析,并论述了为何需要优化稳定状态。第三,我们在物理网络系统(CPS)环境中介绍了一种应用,其中考虑部分连接的系统,通过邻居之间可选的无线组播来发挥。我们在分析确定参数范围方面发挥了理论作用,以确定我们的建议协议何时比使用外部受信任的节点进行通信的基线协议提供更好的能源效率。我们提出了基于超图的网络模型,并将以前的容错结果推广到该模型。最后,我们通过在CPS测试平台上进行实验,分析了我们的协议的能源效率。特别是,我们观察到使用低功耗蓝牙(BLE)进行n=10设置时,与最先进的SMR解决方案相比,节省高达64%的能源。

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