基于可信执行环境的安全高效异步 BFT 共识

《Future Generation Computer Systems》：Secure and efficient asynchronous BFT consensus leveraging trusted execution environments

　　

# 摘要
异步拜占庭容错 (ABFT) 协议能够在不依赖时序假设的情况下实现分布式共识，但面临着高密码学开销、二次方消息复杂度以及不切实际的部署要求，例如通用可信硬件或昂贵的门限加密。现有的 TEE 辅助 BFT 协议仅在半同步环境下运行，并假设所有节点都具备可信执行能力，这限制了它们在异构环境中的适用性。我们提出了一种新的 TEE 辅助异步 BFT 协议 TruBFT，该协议支持部分 TEE 部署，从而消除了所有节点必须启用 TEE 的要求。在我们的设计中，非 TEE 节点组成临时组，并将共识任务委托给选定的配备 TEE 的节点。达成共识后，结果被返回且该组解散，从而实现轻量级、按需参与。为了减少传统门限加密的开销，我们利用 TEE 保护通信和飞地内的密码处理，结合非对称加密，以高效抵抗审查攻击。此外，我们重新设计了异步二元一致性阶段，通过将所有与投票相关的操作在飞地内执行，确保 ABA 投票信息的机密性并提高抗合谋能力。我们在部分可信硬件的异步模型下对协议的安全性进行了正式分析。实验结果证实了其安全性和性能，使得 TruBFT 适合在具有异构信任假设的去中心化系统中进行实际部署。在阿里云广域网络上跨多达 16 台虚拟机进行的实验表明，在 100,000 交易负载下，TruBFT 保持了约 476 tx/s 的稳定吞吐量。

# 引言
拜占庭容错 (BFT) 协议在使分布式系统即使在某些节点表现出任意或恶意行为时仍能保持一致性和可用性方面发挥着关键作用。传统 BFT 协议（如 PBFT [1]）通常假设部分同步网络以确保安全性和活性。然而，这些时序假设在现实世界的去中心化环境中并不总是实际可行的。为此，异步拜占庭容错 (ABFT) 协议应运而生，它们消除了对时序保证的依赖，并提供了对网络延迟和调度不确定性的鲁棒性。HoneyBadgerBFT (HB-BFT) [2] 和 DAG-Rider [3] 等协议体现了这种异步设计，在不可靠通信面前提供了强大的安全属性。尽管它们在时序不确定性和恶意行为面前表现出鲁棒性，但异步 BFT 协议仍面临显著的实际限制，特别是在性能瓶颈、复杂的协议逻辑以及对自适应对手的抵抗力方面。在异步模型中，节点必须大量依赖随机化技术（例如门限加密、公共硬币生成或可验证秘密共享），这往往导致高延迟、二次方消息复杂度和增加的密码学开销。

为缓解这些挑战，研究人员探索将可信执行环境 (TEE) 集成到 BFT 协议中。TEE（如 Intel SGX [4]）提供硬件隔离的执行空间，确保代码和数据的机密性与完整性，即使操作系统被攻破也是如此。通过引入 TEE，可以简化密码学复杂度，通过经过证明的执行消除双重支付，并简化共识协议。例如，MinBFT [5] 利用 TEE 减少确保安全性所需的副本数量，而 CheapBFT [6] 则在 TEE 内引入推测执行以提高性能。FastBFT [7] 和 SBFT [8] 等其他工作进一步展示了 TEE 辅助协议如何增强半同步系统中的吞吐量并降低延迟。

现有的 ABFT 协议尚未集成 TEE，而先前的基于 TEE 的 BFT 设计（如 TBFT [9]）仅在半同步假设下运行。此外，大多数现有协议假设所有参与节点都配备了 TEE，这在许多实际部署中是不切实际的。本文通过提出一种不需要通用 TEE 支持的灵活架构来解决这一限制。具体来说，我们引入了一种临时分组机制，其中非 TEE 节点可以动态组成团队，并共同选择配备 TEE 的节点代表它们参与共识过程。一旦达成共识，选定的 TEE 节点将结果返回给相应的组，临时团队自动解散，从而实现轻量级和按需参与。这种设计不仅支持更广泛的部署，还通过基于 TEE 的执行保持强大的安全保证，同时避免了对可信硬件的永久依赖。此外，传统 ABFT 协议通常采用复杂的门限加密来确保数据机密性并防止审查攻击。然而，门限加密引入了显著的通信和计算开销。为此，我们的协议利用 TEE 飞地的机密性保证，并用轻量级的 TEE 证明混合加密通道取代门限加密，其中负载解密被限制在飞地内，在标准 BFT 假设下以较低的复杂度提供审查缓解。此外，在典型的异步二元一致性 (ABA) 协议中，投票消息以明文发送，这暴露了参与者的决定并使系统易受合谋攻击。尽管现有解决方案如 RABA 允许用户重新投票，但它们仍不能确保消息机密性。在我们的设计中，投票在 TEE 内安全进行，确保投票在整个 ABA 过程中保持机密，并使协议具有抗合谋能力。最后，共识协议的所有关键组件，包括本地投票逻辑、收集节点和单调计数器，完全在 TEE 飞地内执行。这种设计保护敏感操作免受软件级篡改，并减少其暴露于潜在信息泄露的风险。

# 贡献
综上所述，我们的贡献如下：
• 我们提出了一种新的 TEE 辅助异步 BFT 协议，不要求所有节点都启用 TEE。通过引入临时分组机制，非 TEE 节点可以动态组成团队并将共识任务委托给选定的配备 TEE 的节点。达成共识后，TEE 节点返回结果且组自动解散，从而实现轻量级、灵活和按需的参与。
• 为了减少门限密码学引入的复杂度，我们利用 TEE 保护通信和飞地内的密码处理，结合非对称加密。与传统 ABFT 协议相比，该设计减轻了审查攻击，同时显著降低了计算和通信开销。
• 我们重新设计了异步二元一致性 (ABA) 阶段，将所有投票和聚合操作限制在 TEE 飞地内。与传统 ABA 协议（其中投票信息可能被暴露）以及不能完全保护投票机密性的 RABA 相比，我们的设计在协议过程中保持个人投票的机密性，从而降低了投票推断和合谋的风险。
• 我们在部分可信硬件的异步模型下为提议的协议提供了正式的安全性分析。大量实验表明，我们的设计实现了强大的安全保证和具有竞争力的性能，证实了其在实际部署中的实用性和鲁棒性。

# 章节摘要

## 拜占庭容错协议
拜占庭容错 (BFT) 的主要目标是在异步环境中设计容错共识算法，其中客户端提交数据，分布式节点通过广播消息进行处理。传统 BFT 算法通常需要总共 $3f+1$ 个节点来容忍多达 $f$ 个恶意节点。然而，它们的消息复杂度通常呈指数级增长。实用拜占庭容错 (PBFT) [1] 作为一种开创性的部分同步 BFT 协议，减少了复杂度。

## 安全模型
我们假设一个强大的对手，能够攻陷 $n$ 个节点中的多达 $f$ 个，其中 $n \ge 3f+1$。对手在任何共识轮次中控制最多 $f$ 个拜占庭节点。对手可以表现出任意的拜占庭行为，如合谋、双重支付、消息伪造、拒绝服务以及完全控制网络，包括消息延迟、重排序和选择性丢包。此外，对手可能试图访问或篡改 TEE 之外的交易数据。

## 预备知识
本节简要回顾了与我们工作相关的核心组件，包括可信执行环境 (TEE) 和异步拜占庭容错 (ABFT) 协议。

## TruBFT
本节介绍基于 TEE 的异步 BFT 协议 TruBFT，如图 1 所示。

## 安全性分析
本节分析了 TruBFT 在第 3 节定义的对抗性和可信硬件假设下的安全属性。在 $n \ge 3f+1$、诚实的配备 TEE 的节点 (TCN) 之间的最终交付、经过证明的飞地代码的正确执行以及所述的密码假设下，TruBFT 满足有效性、一致性、终止性、机密投票、交易审查抵抗力和部分 TEE 部署安全性。
**有效性。** 假设 $n \ge 3f+1$ 且最多 $f$ 个 TCN 是拜占庭的。对于任何交易 $v$...

## 实现与评估
表 1 将 TruBFT 与代表性的 BFT 协议在时序模型、TEE 部署假设、公共/本地硬币以及实际部署考虑等维度上进行了对比。与 FastBFT、SBFT 和 MinBFT 等部分同步设计不同，TruBFT 针对完全异步模型，因此不依赖时序假设；此外，它不需要通用可信硬件部署。与异步基线相比，HoneyBadgerBFT 通过 TEE 实现机密性...

## TEE 安全性局限性
TruBFT 依赖于 TEE 完整性和飞地驻留秘密得以保持的标准假设。在实际中，Intel SGX 仍然面临微架构攻击，包括推测执行和基于缓存的侧信道。这些攻击在协议级威胁模型之外，因此构成了 TruBFT 的残余风险。每轮临时密钥的使用、有限的跨轮飞地状态以及飞地拆卸减少了敏感状态的寿命并限制了...

## 结论
在本工作中，我们提出了 TruBFT，一种专为异构部署环境设计的 TEE 辅助异步 BFT 协议。TruBFT 允许非 TEE 节点将共识执行委托给动态选定的配备 TEE 的 TCN，同时在经过证明的飞地内保护敏感的投票和密码操作。通过结合飞地保护执行、轻量级加密和飞地本地随机性，TruBFT 减少了对昂贵门限机制的依赖，同时提供...

# CRediT 作者贡献声明
刘超：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，可视化，形式分析，数据整理，概念化。
姜天雨：可视化，验证，软件。
涂佳智：软件，资源，项目管理。
朱大新：监督，软件，资源。
张靖淳：可视化，验证，监督。
张晨宸：监督，形式分析。

# 利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被认为影响了本论文报告的工作。

# 致谢
本研究得到了厦门市科技局厦门市自然科学基金（项目编号：3502Z202674007）的支持；厦门市人力资源和社会保障局厦门市引进海外人才科研资助项目（厦门市人力资源和社会保障局文件 [2025]193 号）的支持；厦门市科技局厦门市医学指导项目（项目编号：3502Z20254ZD1234）的支持；以及 2025 学院项目（内容截断）的支持。
刘超，中国厦门医学院。
刘超（IEEE 高级会员）于 2021 年获得美国马里兰大学巴尔的摩县分校计算机科学与电子工程博士学位。他已在顶级期刊（如 IEEE 信息安全汇刊和 IEEE 可信与secure计算汇刊）以及领先会议（包括 DSN、SRDS 和 E-VOTE-ID）上发表第一作者和通讯作者论文。他还与...合作。
刘超 | 姜天雨 | 涂佳智 | 朱大新 | 张靖淳 | 张晨宸
中国厦门医学院公共卫生与医疗技术系，厦门，中国