[論文レビュー] A Simple and Efficient Asynchronous Randomized Binary Byzantine Consensus Algorithm

Tyler Crain|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 37被引用数 6

ひとこと要約

この論文では、最大1/3の障害ノードを許容する、シンプルで効率的な非同期ランダム化二値Byzantine合意アルゴリズムを提示している。期待される定数時間の終了を達成し、1/3以下の障害ノードを許容する。グローバルなランダムコインにはしきい値署名を、メッセージの正当性の証明には暗号的証明を用い、メッセージの組み合わせによりラウンド数を削減し、10のデータセンタを含む地理的に分散した実験で平均遅延が400msにまで低下した。

ABSTRACT

This paper describes a simple and efficient asynchronous Binary Byzantine faulty tolerant consensus algorithm. In the algorithm, non-faulty nodes perform an initial broadcast followed by a executing a series of rounds each consisting of a single message broadcast plus the computation of a global random coin using threshold signatures. Each message is accompanied by a cryptographic proof of its validity. Up to one third of the nodes can be faulty and termination is expected in a constant number of rounds. An optimization is described allowing the round message plus the coin message to be combined, reducing rounds to a single message delay. Geodistributed experiments are run on replicates in ten data center regions showing average latencies as low as 400 milliseconds.

研究の動機と目的

• 最大1/3のプロセスが障害する非同期ネットワークにおいて、シンプルで効率的なByzantine合意アルゴリズムを設計すること。
• 同期性の仮定に依存せずに、期待される定数時間の終了（O(1)のメッセージ遅延）を達成すること。
• メッセージの組み合わせと最適化された暗号的検証により、通信のオーバーヘッドとラウンドの複雑さを低減すること。
• 実際の地理的に分散した環境における性能を、実用的な遅延と帯域幅制約のもとで評価すること。
• 悪意のない状況では暗号的証明を延期または省略することで効率を向上させられることを示すこと。

提案手法

• 各ノードは、他のすべてのノードに初期の二値提案をブロードキャストすることで開始する。
• 各ラウンドは、現在の推定値の全ノード間ブロードキャストと、しきい値署名を用いたグローバルなランダムコインの計算のための全ノード間ブロードキャストの2回から成る。
• グローバルなランダムコインは、n−t個の異なるプロセスからの署名をしきい値署名方式を用いて組み合わせることで生成され、偽造不能性と一貫性が保証される。
• 各メッセージには、非対称署名を用いた正当性の暗号的証明が含まれており、整合性と真正性の検証が可能になる。
• 最適化として、次のラウンドの補助メッセージとコインメッセージを組み合わせることで、ラウンド数を1つ削減し、メッセージ遅延を最小限に抑える。
• ハッシュ関数にはランダムオракルモデルを用い、偽造不能なデジタル署名と信頼性の高いポイントツーポイント通信を仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最大1/3の障害ノードを許容する非同期ネットワークにおいて、Byzantine合意アルゴリズムが期待される定数時間の終了を達成できるか？
• RQ2 セキュリティと正しさを維持しながら、メッセージの複雑さとラウンド数をどのように最小化できるか？
• RQ3 メッセージの組み合わせと暗号的証明検証の延期によって、どのような性能向上が達成できるか？
• RQ4 変動するネットワーク遅延を伴う実世界の地理的に分散した展開において、アルゴリズムはどのようにスケーリングするか？
• RQ5 悪意のない実行状況では、セキュリティを損なわずにどの程度まで暗号的証明を省略できるか？

主な発見

• アルゴリズムは期待される定数時間の終了を達成し、平均で約3ラウンドの意思決定を実現し、すべての実験で最大11ラウンドにとどまった。
• 10のデータセンタをカバーする地理的に分散した展開において、10ノードで1ラウンドあたり400msの平均合意遅延を達成した。
• メッセージの組み合わせ最適化により、4コアのマシンを模擬したシミュレーションで平均遅延が75〜100ms短縮されたが、シングルスレッド環境では実際の署名検証の遅延が増加した。
• 暗号的証明を省略した場合、1回の合意インスタンスあたり送信されるバイト数が顕著に減少し、悪意のない状況では遅延やラウンド数にほとんど影響がなかった。
• 10ノード、各ノードに4つのハードウェアスレッドを割り当て、1,000回の合意インスタンスを実行した場合、実行負荷の上昇により平均遅延がわずかに上昇したが、以前の実験と一貫した結果が得られた。
• アルゴリズムの性能は暗号的検証コストに強く依存しており、より高性能なハードウェアでは著しく向上するため、現代のシステムではさらなる最適化が可能であると考えられる。