Liveness and Latency of Byzantine State-Machine Replication (Extended Version)
拜占庭状态机复制（SMR）确保了在存在恶意副本的情况下复制状态的一致性，并且是现代区块链技术的核心。拜占庭SMR协议通常在所有情况下都保证安全，只有在同步的情况下才保证活性。然而，即使在这个假设下保证活性也是不平凡的。到目前为止，我们缺乏将活性机制纳入拜占庭SMR协议的系统方法，这通常会导致微妙的错误。为了缩小这一差距，我们引入了一个模块化的框架，以促进可证明的生活和高效的拜占庭SMR协议的设计。我们的框架依赖于一个特殊的SMR同步原语生成的视图抽象来驱动命令排序的协议。我们提出了一个简单的形式规格的SMR同步器和部分同步下的有界空间实现。我们还应用我们的规范来证明活性，并通过一个统一的方法来分析三个拜占庭SMR协议的延迟。特别是，这些结果之一产生什么，我们认为是第一个严格的活性证明的算法核心的开创性PBFT协议。
2022-10-05 cs.DC
Global Stabilization for Causally Consistent Partial Replication
因果一致的分布式存储系统最近受到了极大的关注，由于提供高吞吐量和因果关系的保证的潜力。{ \em Global stabilization}是为在分布式多版本键值存储系统中实现因果一致性而建立的技术，由诸如GentleRain \cite{Du2014GentleRainCA}和Cure \cite{akkoorath2016cure}的先前工作所采用。直观地说，这种方法通过它们的物理时间序列化所有更新，并计算“全局稳定时间”，这是一个时间点$t$，这样具有时间戳$\leq t$的版本可以返回给客户端，而不会违反因果关系。然而，具有全局稳定性的所有先前设计都假设{ \em完全复制}，其中每个数据中心存储数据的完整副本，并且每个客户端被限制为访问一个数据中心内的服务器。在本文中，我们提出了一个理论框架，以支持{ \em一般部分复制}的因果一致性，通过全球稳定，其中每个服务器可以存储任意子集的数据，每个客户端被允许与任何子集的服务器和迁移之间没有额外的延迟。我们提出了一个算法，实现一般部分复制的分布式多版本键值存储的因果一致性。我们证明了我们的算法中的全局稳定时间计算的最优性，关于远程更新的可见性延迟，即如何快速更新从远程服务器是可见的客户端，在一般的部分复制。我们还通过在客户端迁移过程中引入额外的延迟来进一步优化远程更新可见性。我们的算法的性能相比，以前的工作的仿真结果也提供。
2019-05-06 cs.DC
Optimality and Trade-offs in Fast BFT SMR (Extended Version)
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Institut Polytechnique de Paris（巴黎理工学院）；a16z Crypto Research（a16z 加密货币研究）；Subzero Labs（Subzero 实验室）
本文针对快速BFT SMR，给出了其所需复制因子的紧上下界，并提出体现复制因子与恢复效率权衡的次优协议，填补了BFT场景下快速SMR研究的不足。
2026-08-21 cs.DC
The Essence of Git: Concepts for P2P Replication
University of Basel（巴塞尔大学）
本文通过概念设计方法，调研了 Git 对象模型和增量复制协议在多种应用中的映射，揭示了其与分布式算法及收敛复制数据结构的联系，并比较了 P2P 框架，论证了 Git 概念的通用性和潜在普适性。
2026-09-15 cs.DC
HT-Paxos: High Throughput State-Machine Replication Protocol for Large Clustered Data Centers
Paxos是状态机复制的一个重要理论。实现状态机复制的最近的数据密集型系统通常需要高吞吐量。Paxos的早期版本很少是经典Paxos，快速Paxos和广义Paxos主要关注容错和延迟，但缺乏吞吐量和可扩展性。其中一个主要原因是重量级领导人。通过卸载leader，我们可以进一步增加系统的吞吐量。Ring Paxos、Multi Ring Paxos和S-Paxos是集群数据中心在这个方向上的一些突出尝试。在本文中，我们提出了HT-Paxos，这是Paxos的一个变体，最适合任何大型集群数据中心。HT-Paxos进一步大大减轻了领导者的负担，从而提高了系统的吞吐量和可扩展性。同时，在高吞吐量的状态机复制协议中，HT-Paxos提供了相当低的延迟和响应时间。
2014-07-04 cs.DC
OpSets: Sequential Specifications for Replicated Datatypes (Extended Version)
我们介绍OpSets，一个可执行的框架，用于指定和推理的语义复制的datasets，提供最终的一致性，在分布式系统中，并机械验证算法，实现这些datasets。我们的方法很简单，但表现力，使我们能够简洁地指定各种抽象的数据库，包括地图，集，列表，文本，图形，树和寄存器。我们的数据库也是可组合的，支持构建复杂的数据结构。为了演示OpSets用于分析复制算法的实用性，我们强调了传统上被忽视的协作文本编辑的一个重要的正确性属性;不满足此属性的算法可以表现出尴尬的文本交错。我们使用OpSets来指定此正确性属性，并证明，虽然现有的复制算法满足此属性，其他几个已发布的算法不。我们还展示了如何OpSets可以用来开发新的复制datashees：我们提供了一个简单的规范的原子移动操作树，以前被认为是不可能实现的操作没有锁定。我们使用Isabelle/HOL证明助手来形式化OpSets方法，并在本文中产生主要主张正确性的机械化证明，从而消除了以前非正式方法的模糊性，并排除了手写证明中可能发生的推理错误。
2018-05-14 cs.DC
New Clocks, Optimal Line Formation and Self-Replication Population Protocols
在本文中，我们考虑一种变体的人口协议，其中代理人被允许连接的边缘，被称为构造模型。在两个代理之间的相互作用期间，相关的连接边可以通过过渡函数形成、保持或消除。本文的贡献是多方面的。--我们提出并分析了一种新型的相位时钟，允许在构造器模型中计算并行时间$Θ(n\log n)$。这种新类型的时钟也可以在标准群体协议模型中实现，假设唯一的领导者可用。--新的时钟能够实现最佳的$O(n\log n)$并行时间跨越线路构造，该构造在先前已知的最佳的$O(n^2)$并行时间解决方案的基础上显著地改进。--我们定义了一个概率版本的冒泡排序，其中只允许在被排序的序列中的相邻数字之间进行随机比较。我们发现，令人惊讶的是，这种概率泡沫排序需要$O(n^2)$比较的期望，即，与其确定性对应物处于同一水平。--我们提出了第一个自复制协议，允许在并行时间$O(n(k+\log n)).$中复制长度为$k$的链（携带信息的线段）。该方案还允许同时复制，其中可以及时获得链的$l$拷贝$O(n(k+\log n)\log l).$本文中的所有方案都以高概率操作。
2022-10-30 cs.DC cs.DS
Design and Analysis of a Logless Dynamic Reconfiguration Protocol
基于复制状态机模型的分布式复制系统已经成为现代数据库系统的基础。为了保证系统在出现故障时的可用性，这些系统必须能够通过动态重新配置来动态地用健康的节点替换故障节点。MongoDB是一个面向文档的数据库，具有源自Raft协议的分布式复制机制。在本文中，我们提出了MongoRaftReconfig，一种新的动态重新配置协议的MongoDB复制系统。MongoRaftReconfig使用无日志的方法来管理配置状态，并从主数据库操作日志中删除配置更改的处理。该协议的设计受到了工程约束的影响，这些约束是在试图重新设计MongoDB中以前存在的不安全的遗留重新配置机制时所面临的。我们提供了MongoRaftReconfig的安全性证明，以及TLA+中的正式规范。据我们所知，这是第一个出版的安全证明和正式规范的重新配置协议的筏为基础的系统。我们也给出了有限协议实例上的模型检验结果。最后，我们讨论了MongoRaftReconfig的概念新颖性，它如何可以被理解为一个优化和广义版本的单服务器重新配置算法的筏，并提出了一个实验评估其优化如何可以提供性能优势的重新配置。
2021-11-20 cs.DC
Making Democracy Work: Fixing and Simplifying Egalitarian Paxos (Extended Version)
IMDEA Software Institute（IMDEA软件研究所）；Institut Polytechnique de Paris（巴黎理工学院）
本文提出EPaxos*，一种更简单且正确的平等式Paxos变种，通过简化故障恢复算法和扩展故障阈值范围，提升复制协议的可靠性和效率。
2026-01-16 cs.DC
Multi-Shot Distributed Transaction Commit (Extended Version)
原子提交问题（Atomic Commit Problem，ACP）是一个类似于共识的单次协议问题，旨在对易出错的分布式系统中的事务提交协议的属性进行建模。我们认为，ACP是过于限制捕捉现代事务性数据存储的复杂性，其中提交协议集成了并发控制，它们的执行不同的事务是相互依赖的。作为一种替代方案，我们引入了事务认证服务（TCS），一个新的正式的问题，捕获安全保证的多拍事务提交协议与集成的并发控制。TCS由一个认证函数参数化，该函数可以实例化以支持常见的隔离级别，例如可串行化和快照隔离。然后，我们推导出一个可证明正确的崩溃弹性协议，通过连续细化实现TCS。我们的协议实现了更好的时间复杂度比主流的方法，层两阶段提交的Paxos风格的复制。
2019-03-12 cs.DC
Batch-Schedule-Execute: On Optimizing Concurrent Deterministic Scheduling for Blockchains (Extended Version)
本文研究区块链中同一区块内交易冲突图上的最大并行度，提出严格可串行化的主动状态机复制框架和图调度概念，证明最小延迟调度问题NP难，并揭示其对现有并发方案的安全影响。
2024-08-19 cs.DB cs.DC
Paxos Consensus, Deconstructed and Abstracted (Extended Version)
Lamport的Paxos算法是一个经典的共识协议，用于在允许崩溃失败的环境中进行状态机复制。Paxos的许多版本都利用协议的内在属性来获得更好的运行时性能，从而扩大了算法的原始描述（已被证明是正确的）与其实际实现之间的差距。在这项工作中，我们解决的挑战，指定和验证复杂的Paxos为基础的系统（a）设计组合规格的实现Paxos的单法令版本，和（b）工程学科的原因协议感知，语义保持优化单法令Paxos。简而言之，我们的方法阐述了解构单法令Paxos的Boichat等人。我们提供了新的非确定性规范的解构中的每个模块，并证明，实现完善相应的规范，这样的证明模块保持不变，可以在不同的实现重用。我们进一步重用这一结果，并展示如何获得一个验证的实现多Paxos从一个单一的法令Paxos的验证实施，通过一系列新的协议感知的网络语义的转换，我们证明是行为保持。
2018-02-16 cs.DC
NetChain: Scale-Free Sub-RTT Coordination (Extended Version)
协调服务是现代云系统的基本构建块，提供配置管理和分布式锁定等关键功能。主要的挑战是实现低延迟和高吞吐量，同时提供强大的一致性和容错性。传统的基于服务器的解决方案需要多个往返时间（RTT）来处理查询。本文介绍了NetChain，一种新的方法，提供了无标度的子RTT协调的数据中心。NetChain利用可编程交换机的最新进展，完全在网络数据平面中存储数据和处理查询。这消除了协调服务器的查询处理，并将端到端延迟减少到RTT的一半-客户端只经历来自其自己的软件堆栈的处理延迟加上网络延迟，在数据中心设置中通常要小得多。我们设计了新的协议和算法的基础上链复制，以保证强一致性，并有效地处理交换机故障。我们实现了一个原型与四个赤脚Tofino交换机和四个商品服务器。评估结果表明，与传统的基于服务器的解决方案，如ZooKeeper相比，我们的原型提供了数量级更高的吞吐量和更低的延迟，并优雅地处理故障。
2018-02-22 cs.DC
DINOMO: An Elastic, Scalable, High-Performance Key-Value Store for Disaggregated Persistent Memory (Extended Version)
我们提出了Dinomo，一种新的键值存储的分散持久内存（DINO）。Dinomo是第一个同时实现高通用情况性能、可伸缩性和轻量级在线重新配置的KVMs键值存储。我们观察到，以前提出的键值存储的架构限制，防止他们同时实现所有三个目标。Dinomo使用了一种新颖的技术组合来实现这些目标，例如所有权分区，分散的自适应缓存，选择性复制以及无锁和无日志索引。与最先进的密钥值存储相比，Dinomo在各种工作负载上的吞吐量至少提高了3.8倍，具有更高的可扩展性，同时提供快速的重新配置。
2022-09-19 cs.DB cs.DC
KCensus: Synthesizing Latency-Optimal Consensus Fast Paths (Extended Version)
EPFL（洛桑联邦理工学院）；NVIDIA（英伟达）
本文提出KCensus框架，将快速路径设计转化为优化问题，合成针对特定设置的延迟最优共识方案，并在AWS上验证平均延迟降低16%。
2026-09-28 cs.DC
FUSEE: A Fully Memory-Disaggregated Key-Value Store (Extended Version)
分布式内存中键值（KV）存储采用了分散式内存（DM）架构，以提高资源利用率。然而，DM上的现有KV存储采用半分解设计，该设计将KV对存储在DM上，但是用单片元数据服务器管理元数据，因此仍然遭受元数据服务器上的低资源效率。为了解决这个问题，本文提出了FUSEE，一个完全内存分散的KV StorE，它将分解引入元数据管理。FUSEE复制元数据，即，存储器节点上的索引和存储管理信息直接在客户端侧管理它们，并且处理DM体系结构下的复杂故障。为了在客户端上可伸缩地复制索引，FUSEE提出了一种以客户端为中心的复制协议，该协议允许客户端并发地访问和修改复制的索引。为了有效地管理分散的内存，FUSEE采用了两级存储管理方案，将存储管理职责在客户端和内存节点之间进行划分。最后，为了处理客户端故障下的元数据损坏，FUSEE利用嵌入式操作日志方案来修复元数据，日志维护开销很低。我们评估FUSEE与微型和YCSB混合基准。实验结果表明，FUSEE在DM上的性能比最先进的KV存储高出4.5倍，而资源消耗更少。
2023-01-24 cs.DC
Microservice Dynamic Architecture-Level Deployment Orchestration (Extended Version)
在BI-REX（大数据创新和卓越研究）能力中心SEAWALL（SEAmless loW lAtency cLoud pLatforms）项目（科学协调员Maurizio Gabbrielli教授）的背景下，我们开发了一种基于架构级重新配置编排的微服务应用程序运行时全局适应的新方法。更确切地说，我们设计了一个算法，自动重新配置，达到目标系统的最大计算负载，通过执行最佳的部署编排。为了构思和模拟我们的方法，我们引入了一种新的集成定时架构建模/执行语言的基础上扩展的演员为基础的面向对象的抽象行为规范（ABS）语言。特别是，我们实现了SmartDeployer的定时扩展，其ABS代码注释可以表达建筑属性。我们的Timed SmartDeployer工具通过生成定时部署编排，完全集成了ABS和架构注释的时间特性。我们评估了我们的方法在一个现实的微服务应用程序上的适用性，该应用程序来自文献：电子邮件管道处理系统。我们通过模拟这样的应用程序并将架构级重新配置与传统的本地扩展技术（检测扩展需求并在单个微服务级别执行复制）进行比较来证明其有效性。我们的比较结果表明，我们的方法避免了级联减速和随之而来的增加的消息丢失和延迟，这会影响传统的本地扩展。
2021-06-04 cs.DC
Grove: a Separation-Logic Library for Verifying Distributed Systems (Extended Version)
Grove是一个用于验证分布式系统的并发分离逻辑库，首次支持基于时间的租约及其与重配置、崩溃恢复等的交互，并成功验证了高性能分布式键值存储GroveKV。
2023-09-14 cs.DC cs.LO
An Experimental Evaluation of Machine-to-Machine Coordination Middleware: Extended Version
物联网（IoT）的愿景体现了各种设置中联网设备的无缝发现、配置和互操作性，从家庭自动化和多媒体到自动驾驶汽车和制造设备。随着这些应用变得越来越重要，处理机器对机器（M2M）通信和协调的中间件必须处理容错和增加的复杂性，同时仍然遵守目标设备的资源约束。在这份报告中，我们专注于M2M场景中的配置管理和服务协调。一方面，我们考虑Zoo-Keeper，最初是为云数据中心开发的，提供了一个简单的文件系统抽象，并基于共识协议实现了容错和可扩展性的复制。另一方面，我们认为设备配置文件的Web服务（DPWS）堆栈与复制服务的基础上，我们实现的筏共识协议。我们表明，后者提供了足够的性能为目标的应用程序，同时提供更大的灵活性。
2014-12-12 cs.DC cs.NI
Selection Guidelines for Geo-Replicated SMR Protocols: A Communication Pattern-based Latency Modeling Approach
Toyohashi University of Technology（丰桥技术科学大学）
本文提出基于通信模式的延迟建模方法，为地理复制SMR协议的选择提供五条指南，帮助确定最佳协议。
2026-01-04 cs.DC
