Reliable communication in multihop networks despite byzantine failures

Communication fiable dans les réseaux multi-sauts en présence de fautes byzantines

Alexandre Maurer (1)

1 NPA - Networks and Performance Analysis

As modern networks grow larger and larger, they become more likely to fail. Indeed, their nodes can be subject to attacks, failures, memory corruptions... In order to encompass all possible types of failures, we consider the most general model of failure: the Byzantine model, where the failing nodes have an arbitrary (and thus, potentially malicious) behavior. Such failures are extremely dangerous, as one single Byzantine node, if not neutralized, can potentially lie to the entire network. We consider the problem of reliably exchanging information in a multihop network despite such Byzantine failures. Solutions exist but require a dense network, where each node has a large number of neighbors. In this thesis, we propose solutions for sparse networks, such as the grid, where each node has at most 4 neighbors. In a first part, we accept that some correct nodes fail to communicate reliably. In exchange, we propose quantitative solutions that tolerate a large number of Byzantine failures, and significantly outperform previous solutions in sparse networks. In a second part, we propose algorithms that ensure reliable communication between all correct nodes, provided that the Byzantine nodes are sufficiently distant from each other. At last, we generalize existing results to new contexts: dynamic networks, and networks with an unbounded diameter.

A mesure que les réseaux s'étendent, ils deviennent de plus en plus susceptibles de défaillir. En effet, leurs nœuds peuvent être sujets à des attaques, pannes, corruptions de mémoire... Afin d'englober tous les types de fautes possibles, nous considérons le modèle le plus général possible : le modèle Byzantin, où les nœuds fautifs ont un comportement arbitraire (et donc, potentiellement malveillant). De telles fautes sont extrêmement dangereuses : un seul nœud Byzantin, s'il n'est pas neutralisé, peut déstabiliser l'intégralité du réseau.Nous considérons le problème d'échanger fiablement des informations dans un réseau multi-Sauts malgré la présence de telles fautes Byzantines. Des solutions existent mais nécessitent un réseau dense, avec un grand nombre de voisins par nœud. Dans cette thèse, nous proposons des solutions pour les réseaux faiblement connectés, tels que la grille, où chaque nœud a au plus 4 voisins. Dans une première partie, nous acceptons l'idée qu'une minorité de nœuds corrects échouent à communiquer fiablement. En contrepartie, nous proposons des solutions qui tolèrent un grand nombre de fautes Byzantines dans les réseaux faiblement connectés. Dans une seconde partie, nous proposons des algorithmes qui garantissent une communication fiable entre tous les nœuds corrects, pourvu que les nœuds Byzantins soient suffisamment distants. Enfin, nous généralisons des résultats existants à de nouveaux contextes : les réseaux dynamiques, et les réseaux de taille non-Bornée.

Mots clés: Sparse networks; Byzantine failures

Mots clés: Communication fiable; Tolérance aux fautes; Fautes byzantines; Algorithmique distribuée; Réseaux faiblement connectés; Fautes aléatoires

Domaines: Algorithme et structure de données [cs.DS]

Alexandre Maurer. Reliable communication in multihop networks despite byzantine failures. Data Structures and Algorithms [cs.DS]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2014. English. ⟨NNT : 2014PA066347⟩. ⟨tel-01091009v2⟩