A distributed system is permissionless when participants can join and leave the network without permission from a central authority. Many modern distributed systems are naturally permissionless, in the sense that a central permissioning authority would defeat their design purpose: this includes blockchains, filesharing protocols, some voting systems, and more. By their permissionless nature, such systems are heterogeneous: participants may only have a partial view of the system, and they may also have different goals and beliefs. Thus, the traditional notion of consensus -- i.e. system-wide agreement -- may not be adequate, and we may need to generalise it. This is a challenge: how should we understand what heterogeneous consensus is; what mathematical framework might this require; and how can we use this to build understanding and mathematical models of robust, effective, and secure permissionless systems in practice? We analyse heterogeneous consensus using semitopology as a framework. This is like topology, but without the restriction that intersections of opens be open. Semitopologies have a rich theory which is related to topology, but with its own distinct character and mathematics. We introduce novel well-behavedness conditions, including an anti-Hausdorff property and a new notion of `topen set', and we show how these structures relate to consensus. We give a restriction of semitopologies to witness semitopologies, which are an algorithmically tractable subclass corresponding to Horn clause theories, having particularly good mathematical properties. We introduce and study several other basic notions that are specific and novel to semitopologies, and study how known quantities in topology, such as dense subsets and closures, display interesting and useful new behaviour in this new semitopological context.


翻译:分布式系统是无需中央授权机构,即参与者可以自由加入和离开网络的系统。 象区块链、文件共享协议、某些投票系统等许多现代分布式系统因其自由的性质而自然成为无需授权的系统。因此,这些系统是异构的:参与者可能只有对系统的部分观察,而且他们可能有不同的目标和信仰。 因此,传统的共识(即系统范围的一致性)可能不足够,我们可能需要对其进行推广。这是一个挑战:我们应该如何理解什么是异构的共识;这可能需要什么样的数学框架;我们如何利用这个框架来建立对于在现实中实现强大,有效和安全的无需授权的系统的数学理解和模型? 我们使用半拓扑作为框架来分析异构共识。这类似于拓扑学,但不限制开放集之间的交集仍然是开放集。半拓扑具有丰富的理论,与拓扑学有关,但具有自己独特的特质和数学。我们引入了新的良好条件,包括反Hausdorff属性和新的“上位集”概念,并展示了这些结构与共识的关系。我们将半拓扑限制为证人半拓扑,这是一种易于算法处理的子类,对应于Horn子句理论,并具有特别好的数学性质。我们介绍并研究了其他几个基本概念,这些概念是半拓扑特定的,并且已知的拓扑学量,例如紧子集和闭包,显示出有趣和有用的新行为在这个新的半拓扑上下文中。

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