[論文レビュー] ACE: Abstract Consensus Encapsulation for Liveness Boosting of State Machine Replication

Alexander Spiegelman, Arik Rinberg|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2019

Distributed systems and fault tolerance被引用数 2

ひとこと要約

ACEは、部分的同期コンセンサスプロトコルから導出されたリーダーベースビュー（LBV）抽象化を組み合わせることで、状態機械レプリケーション（SMR）システムの非同期ライブネスを向上させるモデルに依存しないフレームワークである。HotStuffで実装した場合、ネットワークの非同期状態やビザンチン攻撃下でもベースのHotStuffを上回る性能を発揮し、故障耐性を損なわずに攻撃的条件下でも安定して動作する。

ABSTRACT

With the emergence of cross-organization attack-prone byzantine fault-tolerant (BFT) systems, so-called Blockchains, providing asynchronous state machine replication (SMR) solutions is no longer a theoretical concern. This paper introduces ACE: a general framework for the software design of fault-tolerant SMR systems. We first propose a new leader-based-view (LBV) abstraction that encapsulates the core properties provided by each view in a partially synchronous consensus algorithm, designed according to the leader-based view-by-view paradigm (e.g., PBFT and Paxos). Then, we compose several LBV instances in a non-trivial way in order to boost asynchronous liveness of existing SMR solutions. ACE is model agnostic - it abstracts away any model assumptions that consensus protocols may have, e.g., the ratio and types of faulty parties. For example, when the LBV abstraction is instantiated with a partially synchronous consensus algorithm designed to tolerate crash failures, e.g., Paxos or Raft, ACE yields an asynchronous SMR for $n = 2f+1$ parties. However, if the LBV abstraction is instantiated with a byzantine protocol like PBFT or HotStuff, then ACE yields an asynchronous byzantine SMR for $n = 3f+1$ parties. To demonstrate the power of ACE, we implement it in C++, instantiate the LBV abstraction with a view implementation of HotStuff -- a state of the art partially synchronous byzantine agreement protocol -- and compare it with the base HotStuff implementation under different adversarial scenarios. Our evaluation shows that while ACE is outperformed by HotStuff in the optimistic, synchronous, failure-free case, ACE has absolute superiority during network asynchrony and attacks.

研究の動機と目的

• 攻撃的ネットワーク環境下で、ビザンチンフォールトトレラントなSMRシステムにおける強い非同期ライブネスを達成する課題に対処すること。
• コンセンサス論理とシステムモデルを分離し、故障耐性のあるSMRコンponentsのモジュラーな組み合わせを可能にする汎用ソフトウェアフレームワークを設計すること。
• 既存のSMRプロトコルのコアコンセンサスメカニズムを変更せずに、ビュー単位の動作を抽象化・再利用することで、それらのプロトコルのライブネスを向上させること。
• 下位のコンセンサスモデルに依存しない形で、$n = 3f+1$の故障耐性を維持しながら非同期ライブネスを達成するソリューションを提供すること。

提案手法

• 部分的同期コンセンサスアルゴリズム（例：PBFT や Paxos）における各ビューのコア特性を抽象化するリーダーベースビュー（LBV）抽象化を導入する。
• 非自明な方法で複数のLBVインスタンスを組み合わせることで非同期ライブネスを実現し、故障タイプや比率といったモデル固有の仮定を隠蔽する。
• 任意の部分的同期コンセンサスプロトコル（例：クラッシュオンリーモデルのRaft や ビザンチン耐性を持つPBFT や HotStuff）でインスタンス化可能なモデルに依存しないフレームワークとしてACEを設計する。
• C++でACEを実装し、HotStuffをLBVインスタンスとして使用することで、ビュー管理およびリーダー選出メカニズムを活用し、非同期回復を可能にする。
• ビュー単位の合成戦略を採用し、ネットワークが非同期状態になっても進行を保証する。これにより、複数のアクティブなビューインスタンスを維持する。
• コンセンサス論理とSMR状態機械を分離することで、フレームワークが異なるコンセンサスモデルや故障仮定にわたって再利用可能になるようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存のSMRプロトコルのコアコンセンサス論理を変更せずに、非同期ライブネスを向上させる汎用フレームワークを設計できるか？
• RQ2 リーダーベースビュー抽象化をどのように組み合わせれば、部分的同期環境下でより強いライブネス保証を達成できるか？
• RQ3 ACEは、ネットワークの非同期状態やビザンチン攻撃下で、ベースのコンセンサスプロトコルと比較してどの程度の耐性向上を達成するか？
• RQ4 ACEのモデルに依存しない設計により、クラッシュオンリーモデルとビザンチン耐性を持つコンセンサスプロトコルの両方とのシームレスな統合が可能か？
• RQ5 予想される（同期的）状況と攻撃的（非同期的）状況の両方において、ACEがどのようなパフォーマンストレードオフを生じるか？

主な発見

• ネットワークの非同期状態やビザンチン攻撃下において、ACEはベースのHotStuffをライブネス面で上回り、攻撃的条件下でも優れた耐性を示した。
• 障害なしの予想される状況では、ACEはHotStuffに劣るが、非同期状態下での故障耐性とライブネスの向上のためのトレードオフが確認された。
• 部分的同期ビザンチンプロトコル（例：HotStuff）でインスタンス化した場合、ACEは$n = 3f+1$パーティに対して非同期SMRを達成し、強力な故障耐性を維持した。
• フレームワークはモデル固有の仮定を効果的に隠蔽し、クラッシュ故障およびビザンチン故障耐性を持つコンセンサスプロトコルの両方でのデプロイを可能にした。
• ACEのLBVインスタンスの合成により、ネットワークが非同期状態であっても、複数のアクティブなビューを維持し、リーダー回復を保証することで進行が可能になった。
• 評価により、ACEの抽象化レイヤーが正しさやセキュリティを損なわず、攻撃的ネットワーク行動下でのライブネスが顕著に向上することが確認された。