[論文レビュー] Blockchain Is Dead, Long Live Blockchain! Accountable State Machine Replication for Longlasting Blockchain.

Alejandro Ranchal-Pedrosa, Vincent Gramoli|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 14被引用数 8

ひとこと要約

この論文では、レプリカ交換による決定論的合意形成によって、従来の n/3 バイラス故障閾値を超えて合意の耐性を確保する、最初の長期的ブロックチェーンシステム LLB を紹介する。新しいレプリカセットにおいて、悪意のあるレプリカ数を f ≥ n/3 から f' < n'/3 に削減することで、LLB は長期的な合意安全性を達成し、生のステートマシンレプリケーションを上回りながら、スケーラブルブロックチェーンと同等のパフォーマンスを実現する。

ABSTRACT

The long-standing impossibility of reaching agreement restricts the lifespan of blockchains. In fact, the consensus on a block to be appended to any blockchain succeeds either with some probability or at the condition that two thirds of the $n$ replicas are not Byzantine. In the former case, the probability that the blockchain fails grows exponentially with the number of newly appended blocks. In the latter case, the blockchain fails as soon as a coalition bribes $f=n/3$ replicas. As a result, one may wonder whether blockchains are doomed to fail. In this paper, we answer this question in the negative by proposing the first Longlasting Blockchain system, \emph{LLB}. LLB builds upon the observation that blockchains are rarely subject to benign faults. As opposed to probabilistic blockchains, LLB solves consensus deterministically when $f<n/3$. As opposed to Byzantine fault tolerant blockchains, it resolves a series of disagreements by reducing eventually the number of deceitful replicas from $n/3\leq f<2n/3$ to $f'<n'/3$ among a new set of $n'$ replicas. To demonstrate its effectiveness, we implement two coalition attacks and a zero loss payment application that forces replicas that misbehave to reimburse conflicting transactions. Finally, LLB outperforms the raw state machine replication at the heart of Facebook's Libra and achieves performance comparable to a scalable blockchain that cannot tolerate $n/3$ failures.

研究の動機と目的

• n/3 以上のレプリカがバイラス的になる場合にブロックチェーンが機能しなくなるという根本的制限を解消し、長期的なシステム耐久性を確保すること。
• 確率的保証に依存する確率的ブロックチェーンにおける指数的障害リスクを克服すること。
• f ≥ n/3 のレプリカが損傷している状況下でも、動的レプリカセット更新を可能にすることで、決定論的合意メカニズムを設計し、ブロックチェーンの整合性を維持すること。
• 不正なレプリカが矛盾する取引に対して補填を行うことで、共謀を抑止するための責任追及を強化すること。
• スケーラブルブロックチェーンと同等のパフォーマンスを実現しながら、n/3 を超える障害を耐えられる、革新的なステートマシンレプリケーションアプローチを達成すること。

提案手法

• LLB は f < n/3 の場合に決定論的合意を用い、確率的収束に依存しない即時かつ最終的な合意を保証する。
• f ≥ n/3 の場合、LLB は新しいかつより小さなレプリカセット n' を形成するためのレプリカ交換プロトコルを起動し、f' < n'/3 にすることで合意安全性を回復する。
• システムは、暗号的責任追及と取引補填プロトコルを用いて、だましのレプリカを同定・隔離する合意不一致解消メカニズムを採用する。
• LLB は、不正なレプリカが矛盾する取引を補填するよう強制するゼロロス決済アプリケーションを統合し、共謀に対する経済的抑止力を高める。
• 任意の誤った状態遷移が暗号的に追跡可能で罰則が科せられるよう、責任追及ステートマシンレプリケーション（ASMR）を活用する。
• LLB のアーキテクチャは、動的再構成と障害検出をサポートする、変更されたステートマシンレプリケーションモデルに基づいており、敵対的条件下での長期運用を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンシステムは、従来の n/3 バイラス故障閾値を超えて合意安全性を維持できるか？
• RQ2 f ≥ n/3 のレプリカがバイラス的である状況下でも、決定論的合意をブロックチェーンで達成できるか？
• RQ3 レプリカ交換による悪意のあるレプリカ数の動的削減によって、ブロックチェーンシステムが長期的耐久性を確保できるか？
• RQ4 不正なレプリカに対して責任追及と経済的罰則を科すためのメカニズムは何か？
• RQ5 n/3 を超える障害を耐えられるブロックチェーンシステムは、スケーラブルブロックチェーンと同等のパフォーマンスを達成できるか？

主な発見

• LLB は、元のレプリカセットを f' < n'/3 となる新しいレプリカセットに置き換えることで、f ≥ n/3 のバイラス的レプリカによる合意失敗を効果的に解消し、安全性を回復する。
• f < n/3 の場合に決定論的合意を達成し、確率的ブロックチェーンに内在する指数的障害リスクを排除する。
• 敵対的条件下において、Facebook の Libra で使用される生のステートマシンレプリケーションよりも、合意遅延とスループットの面で優れた性能を示す。
• n/3 を超える障害を耐えられないスケーラブルブロックチェーンと同等のパフォーマンスを達成し、実用的効率性を実証する。
• ゼロロス決済アプリケーションは、不正なレプリカが矛盾する取引を補填するよう強制し、経済的責任追及の実現可能性を裏付けた。
• 2つのコалиション攻撃の実装により、LLB が共謀を検知・緩和でき、現実的な敵対的ワークロード下でもシステム整合性を維持できることを確認した。