[論文レビュー] Bolt-Dumbo Transformer: Asynchronous Consensus As Fast As the Pipelined BFT

Yuan Lu, Zhenliang Lu+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2021

Distributed systems and fault tolerance参考文献 69被引用数 7

ひとこと要約

Bolt-Dumbo Transformer (BDT) は、単純で高速な決定的ファストレーンと、多値Byzantine合意ではなく二値合意に基づく効率的なペース同期メカニズムを組み合わせた、楽観的非同期原子ブロードキャストのための新規フレームワークである。これにより、良好なネットワーク下では 2-chain HotStuff のような決定的プロトコルと同等の低遅延性能を達成しつつ、攻撃的または変動するネットワーク状態下でも堅牢性とライブネスを維持でき、Dumbo のような最先端の非同期プロトコルと同等の性能を発揮する。

ABSTRACT

An urgent demand of deploying BFT consensus over the Internet is raised for implementing blockchain services. The deterministic (partial) synchronous protocols can be simple and fast in good network conditions, but are subject to denial-of-service when synchrony assumption fails. Asynchronous protocols, on the contrary, are robust against the adversarial network, but are substantially more complicated and slower for the inherent use of randomness. Facing the issues, optimistic asynchronous atomic broadcast ( Kursawe-Shoup, 2002; Ramasamy-Cachin, 2005) was proposed to improve the normal-case performance of the slow asynchronous consensus. They run a deterministic fastlane if the network condition remains good, and can fall back to a fully asynchronous protocol via a pace-synchronization mechanism if the fastlane fails. Unfortunately, existing pace-synchronization directly uses a heavy tool of asynchronous multi-valued validated Byzantine agreement (MVBA). We present Bolt-Dumbo Transformer (BDT), a generic framework for practical optimistic asynchronous atomic broadcast. At the core of BDT, we set forth a new fastlane abstraction that is simple and fast, while preparing honest parties to gracefully face potential fastlane failures caused by malicious leader or bad network. This enables a highly efficient pace-synchronization to handle fallback. The resulting design reduces a cumbersome MVBA to a variant of the conceptually simplest binary agreement only. Besides detailed security analyses, we also give concrete instantiations of our framework and implement them. Extensive experiments demonstrate that BDT can enjoy both the low latency of deterministic protocols (e.g. 2-chain version of HotStuff) and the robustness of state-of-the-art asynchronous protocols in practice.

研究の動機と目的

• ネットワークの変動時に MVBA などの重い非同期プロトコルにフォールバックすることで性能が低下する、楽観的非同期 BFT コンセンサスにおける性能ボトルネックを解消すること。
• 良好なネットワーク条件下で低遅延性能を維持しつつ、攻撃的または不安定なネットワーク下でもライブネスとセーフティを保証する実用的フレームワークを設計すること。
• 楽観的非同期プロトコルにおけるペース同期の複雑さを、多値Byzantine合意の代わりに最小限の二値合意抽象化に置き換えることで簡素化すること。
• 決定的ファストレーンと堅牢なフォールバックメカニズムを組み合わせた、汎用的で合成可能で効率的な楽観的非同期原子ブロードキャストの構築を可能にすること。

提案手法

• 良好なネットワーク条件下で誠実な参加者が迅速に進行できる、決定的で単純かつ効率的なファストレーン抽象化を導入する。
• 二段階のフォールバックメカニズムを提案：短時間のネットワーク障害に適した軽量なペース同期（二値合意に基づく）、および長時間の障害に適した完全な懐疑的パス。
• 従来の重い MVBA に基づくペース同期を、大幅に低遅延を実現する最小限の二値合意プリミティブに置き換える。
• 安定したリーダーを備えた 2-chain HotStuff ファストレーンと Dumbo プロトコルを懐疑的フォールバックパスとして組み合わせる汎用的コンポジションパターンを採用する。
• 非同期セキュリティ保証を持つビュー変更に類似したメカニズムを採用し、悪意あるリーダーやネットワーク遅延によってファストレーンが失敗してもライブネスを保証する。
• sCAST 原子を用いてフレームワークを実装し、短時間および長時間のネットワーク変動を含む現実的なネットワーク条件下で評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 良好なネットワーク条件下で低遅延性能を維持しつつ、攻撃的または不安定なネットワーク下でも堅牢であるような実用的楽観的非同期 BFT プロトコルを設計できるか？
• RQ2 楽観的 BFT におけるペース同期メカニズムを、複雑な多値Byzantine合意から最小限の二値合意抽象化に簡素化できるか、セキュリティを損なわないか？
• RQ3 ネットワークの変動下における楽観的 BFT プロトコルのフォールバックの性能オーバーヘッドは何か、最小限に抑えることができるか？
• RQ4 決定的ファストレーンを安全に懐疑的フォールバックパスと組み合わせることで、効率性と堅牢性の両立がどの程度達成できるか？

主な発見

• 良好なネットワーク条件下では BDT が 2-chain HotStuff と区別できない低遅延ファストレーン動作を達成しており、これが裏付けられた。
• 短時間のネットワーク変動（例：2秒間の不良期間）下でも、BDT は数秒以内に回復し、迅速に高速進行を再開する。これに対して MVBA に基づくフォールバックでは 25 秒の遅延が生じるのを回避している。
• 長期間の不良ネットワーク状態（例：120 秒）下でも、BDT は下位の Dumbo プロトコルの性能をほとんど遜色なく追従し、効率的なペース同期によるわずかなオーバーヘッドしか発生しない。
• MVBA の代わりに二値合意を使用することで、長期間のネットワーク障害下では MVBA に基づくアプローチと比較して、フォールバック遅延が 10 秒以上短縮された。
• 悪意あるメッセージスケジューリング下でも、形式的に証明された非同期セキュリティ特性のおかげで、BDT はすべてのネットワーク条件下でセーフティとライブネスを維持している。
• フレームワークは汎用的かつ合成可能であり、任意の高速決定的 BFT プロトコルと任意の堅牢な非同期フォールバックを効率的に統合可能である。