State machine replication (SMR) is a software technique for tolerating failures using commodity hardware. The critical service to be made fault-tolerant is modeled by a state machine. Several, possibly different, copies of the state machine are then deployed on different nodes. Clients of the service access the replicas through a SMR protocol which ensures that, despite concurrency and failures, replicas perform client requests in the same order. Two objectives underly the design and implementation of a SMR protocol: robustness and performance. Robustness conveys the ability to ensure availability (liveness) and one-copy semantics (safety) despite failures and asynchrony. On the other hand, performance measures the time it takes to respond to a request (latency) and the number of requests that can be processed per time unit (throughput). In this thesis, we present two contributions to state machine replication. The first contri- bution is LCR, a uniform total order broadcast (UTO-broadcast) protocol that is throughput optimal in failure-free periods. LCR can be used to totally order the requests received by a replicated state machine. LCR has been designed for small clusters of homogeneous machines interconnected by a local area network. It relies on a perfect failure detector and tolerates the crash failures of all but one replicas. It is based on a ring topology and only relies on point-to-point inter-process communication. We benchmark an implementation of LCR against two of the most widely used group communication packages and show that LCR provides higher throughput than them, over a large number of setups. The second contribution is Abstract, a new abstraction to simplify the design, proof and implementation of SMR protocols. Abstract focuses on the most robust class of SMR protocols, i.e. those tolerating arbitrary (client and replica) failures. Such protocols are called Byzantine Fault Tolerant (BFT) protocols. We treat a BFT protocol as a composition of instances of our abstraction. Each instance is developed and analyzed independently. To illustrate our approach, we first show how, with our abstraction, the benefits of a BFT protocol like Zyzzyva could have been developed using less than 24% of the actual code of Zyzzyva. We then present Aliph, a new BFT protocol that outperforms previous BFT protocols both in terms of latency (by up to 30%) and throughput (by up to 360%).

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. / 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.

Au cours de la dernière décennie, l'informatique en nuage (Cloud Computing) suscita un important changement de paradigme dans de nombreux systèmes d'information. Ce nouveau paradigme s'illustre principalement par la délocalisation de l'infrastructure informatique hors du parc des entreprises, permettant ainsi une utilisation des ressources à la demande. La prise en charge de serveurs locaux s'est donc vue peu à peu remplacée par la location de serveurs distants, auprès de fournisseurs spécialisés tels que Google, Amazon, Microsoft. Afin d'assurer la pérennité d'un tel modèle économique, il apparaît nécessaire de fournir aux utilisateurs diverses garanties relatives à la sécurité, la disponibilité, ou encore la fiabilité des ressources mises à disposition. Ces facteurs de qualité de service (QoS pour Quality of Service) permettent aux fournisseurs et aux utilisateurs de s'accorder sur le niveau de prestation escompté. En pratique, les serveurs mis à disposition des utilisateurs doivent épisodiquement faire face à des fautes arbitraires (ou byzantines). Il s'agit par exemple de ruptures temporaires du réseau, du traitement de messages corrompus, ou encore d’arrêts inopinés. Le contexte d'informatique en nuage s'est vu néanmoins propice à l'émergence de technologies telles que la virtualisation ou la réplication de machines à états. De telles technologies permettent de pallier efficacement à l’occurrence de pannes via l'implémentation de protocoles de tolérance aux pannes.La tolérance aux fautes byzantines (BFT pour Byzantine Fault Tolerance) est un domaine de recherche implémentant les concepts de réplication de machines à états, qui vise à assurer la continuité et la fiabilité des services en présence de comportements arbitraires. Afin de répondre à cette problématique, de nombreux protocoles furent proposés. Ceux-ci se doivent d'être efficaces afin de masquer le surcoût lié à la réplication, mais également robustes afin de maintenir un niveau de performance élevé en présence de fautes. Nous constatons d'abord qu'il est délicat de relever ces deux défis à la fois: les protocoles actuels sont soit conçus pour être efficaces au détriment de leur robustesse, soit pour être robustes au détriment de leur efficacité. Cette thèse se focalise autour de cette problématique, l'objectif étant de fournir les instruments nécessaires à la conception de protocoles à la fois robustes et efficaces.Notre intérêt se porte principalement vers deux types de dénis de service liés à la gestion des requêtes. Le premier de ces dénis de service est causé par la corruption partielle d'une requête lors de son émission par un client. Le deuxième est causé par l'abandon intentionnel d'une requête lors de sa réception par un réplica. Afin de faire face efficacement à ces deux comportements byzantins, plusieurs mécanismes dédiés furent implémentés dans les protocoles de BFT robustes. En pratique, ces mécanismes engendrent d'importants surcoûts, ce qui nous permet d'introduire notre première contribution: la définition de plusieurs principes de conception génériques destinés à réduire ces surcoûts tout en assurant un niveau de robustesse équivalent.La seconde contribution de cette thèse illustre ER-PBFT, un nouveau protocole implémentant ces principes de conception sur PBFT, la référence en matière de tolérance aux fautes byzantines. Nous démontrons l'efficacité de notre nouvelle politique de robustesse, à la fois en présence de comportements byzantins mais également lors de scénarios sans faute.La troisième contribution illustre ER-COP, un nouveau protocole orienté à la fois vers l’efficacité et la robustesse, implémentant nos principes de conception sur COP, le protocole de BFT fournissant les meilleures performances à l'heure actuelle dans un environnement sans faute. Nous évaluons le surcoût engendré par l'intégration de notre politique de robustesse, et nous démontrons la capacité de ER-COP à tolérer l'occurrence de comportements byzantins. / Over the last decade, Cloud computing instigated an important switch of paradigm in numerous information systems. This new paradigm is mainly illustrated by the re-location of the whole IT infrastructures out of companies’ warehouses. The use of local servers has thus being replaced by remote ones, rented from dedicated providers such as Google, Amazon, Microsoft.In order to ensure the sustainability of this economic model, it appears necessary to provide several guarantees to users, related to the security, availability, or even reliability of the proposed resources. Such quality of service (QoS) factors allow providers and users to reach an agreement on the expected level of dependability. Practically, the proposed servers must episodically cope with arbitrary faults (also called byzantine faults), such as incorrect/corrupted messages, servers crashes, or even network failures. Nevertheless, the Cloud computing environment encouraged the emergence of technologies such as virtualization or state machine replication. These technologies allow cloud providers to efficiently face the occurrences of faults through the implementation of fault tolerance protocols.Byzantine Fault Tolerance (BFT) is a research area involving state machine replication concepts, and aiming at ensuring continuity and reliability of hosted services in presence of any kind of arbitrary behaviors. In order to handle such threat, numerous protocols were proposed. These protocols must be efficient in order to counterbalance the extra cost of replication, and robust in order to lower the impact of byzantine behaviors on the system performance. We first noticed that tackling both these concerns at the same time is difficult: current protocols are either designed to be efficient at the expense of their robustness, or robust at the expense of their efficiency. We tackle this specific problem in this thesis, our goal being to provide the required tools to design both efficient and robust BFT protocols.Our focus is mainly dedicated to two types of denial-of-service attacks involving requests management. The first one is caused by the partial corruption of a request transmitted by a client. The second one is caused by the intentional drop of a request upon receipt. In order to face efficiently both these byzantine behaviors, several mechanisms were integrated in robust BFT protocols. In practice, these mecanisms involve high overheads, and thus lead to the significant performance drop of robust protocols compared to efficien ones. This assessment allows us to introduce our first contribution: the definition of several generic design principles, applicable to numerous existing BFT protocols, and aiming at reducing these overheads while maintaining the same level of robustness.The second contribution introduces ER-PBFT, a new protocol implementing these design principles on PBFT, the reference in terms of byzantine fault tolerance. We demonstrate the efficiency of our new robustness policy, both in fault-free scenarios and in presence of byzantine behaviors.The third contribution highlights ER-COP, a new BFT protocol dedicated to both efficiency and robustness, implementing our design principles on COP, the BFT protocol providing for now the best performances in a fault-free environment. We evaluate the additional cost introduced by our robustness policy, and we demonstrate ER-COP's ability to handle byzantine behaviors.