NEMESIS: Eine neuartige Evaluierungsplattform zur Messung der Belastbarkeit von Byzantinisch fehlertoleranten Systemen unter eingespeisten Stressfaktoren
(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
Projektleitung: ,
Projektbeteiligte:
Projektstart: 1. Januar 2027
Projektende: 31. Dezember 2029
Akronym: NEMESIS
Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
Abstract:
Byzantinisch fehlertolerante (BFT) Einigungsprotokolle bilden heutzutage das Rückgrat von Distributed-Ledger-Technology-Systemen (DLT-Systemen). Eine neue Generation von BFT-Protokollen organisiert Blöcke in einem gerichteten azyklischen Graphen statt in einer linearen Kette und erreicht so deutlich höheren Durchsatz und bessere Skalierbarkeit. Diese Protokolle sichern bereits in produktiven DLTs erhebliche wirtschaftliche Werte ab. Ihre Angriffsfläche und ihre Robustheit unter realistischen Bedingungen sind jedoch bislang unzureichend erforscht.
Bestehende Evaluationswerkzeuge sind überwiegend Insellösungen: Sie skalieren nicht auf realistische Systemgrößen, erfordern eine Neuimplementierung der Protokolle, bilden Wide-Area-Netzwerke (WAN) nicht realistisch nach oder liefern keine reproduzierbaren Ergebnisse. NEMESIS schließt diese Lücke, indem es (1) eine skalierbare, realistische und reproduzierbare Evaluationsplattform für BFT-Protokolle entwickelt, (2) Suchverfahren für koordinierte Byzantinische Angriffe entwirft und (3) Methoden zur Erkennung von Liveness-Problemen bereitstellt.
Das Projekt untersucht, wie sich eine modulare Plattform gestalten lässt, die die Realitätsnähe einer Emulation (Ausführung unveränderter Protokoll-Binärdateien) mit der Skalierbarkeit und dem Determinismus von Simulationsmethoden verbindet und so einen hybriden Emulations-/Simulationsansatz verfolgt. Die Plattform führt möglichst unmodifizierte Protokollimplementierungen in unterschiedlichen Programmiersprachen in einer deterministischen Simulationsumgebung aus. Sie bildet WAN-Bedingungen einschließlich Latenz- und Bandbreitenbeschränkungen nach, skaliert auf 100 und mehr Knoten und erlaubt das exakte Wiederholen von Protokollläufen. Darauf aufbauend modelliert NEMESIS einen strategischen Angreifer, der alle Byzantinischen Knoten koordiniert steuert und Wissen über Protokollrollen und -zustände nutzt, um den immensen Suchraum möglicher Angriffe gezielt zu durchsuchen. Neben klassischen Angriffen auf die Konsistenz wie Equivocation deckt NEMESIS auch volumenbasierte Angriffe ab, die auf Ressourcenerschöpfung oder fehlerhafte Speicherbereinigung zielen.
Schließlich verbindet NEMESIS analytische und empirische Verfahren, um sowohl harte Liveness-Verletzungen zu erkennen als auch Zustände, in denen ein Protokoll formal Fortschritt garantiert, praktisch aber unbenutzbar wird, etwa durch stagnierende Blockproduktion oder stark erhöhte Latenz. Sämtliche Ergebnisse, insbesondere die Plattform selbst, werden als Open Source veröffentlicht. Insgesamt soll NEMESIS die Lücke zwischen formalen Korrektheitsgarantien und der operativen Nutzbarkeit von BFT-Systemen schließen, indem es Techniken entwickelt, die praktisch relevante Liveness-Probleme sichtbar und messbar machen.