[論文レビュー] Cerberus: Minimalistic Multi-shard Byzantine-resilient Transaction Processing

Jelle Hellings, Daniel P. Hughes+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 39被引用数 6

ひとこと要約

Cerberusは、協調を最小限に抑えるUTXOの意味論を活用することで、分散ブロックチェーンにおけるByzantine耐性のあるマルチシャーディングトランザクション処理のための最小限でスケーラブルなフレームワークを提案する。Core-Cerberusは健全な状態での最適なパフォーマンスを実現し、Optimistic-Cerberusは攻撃発生時の回復機構を備えた低レイテンシのオプティミスティック実行を提供し、Pessimistic-Cerberusは攻撃的環境でも耐障害性を確保する。各シャーディングごとに1〜2回のコンセンサスステップで高スループットを達成している。

ABSTRACT

To enable high-performance and scalable blockchains, we need to step away from traditional consensus-based fully-replicated designs. One direction is to explore the usage of sharding in which we partition the managed dataset over many shards that independently operate as blockchains. Sharding requires an efficient fault-tolerant primitive for the ordering and execution of multi-shard transactions, however. In this work, we seek to design such a primitive suitable for distributed ledger networks with high transaction throughput. To do so, we propose Cerberus, a set of minimalistic primitives for processing single-shard and multi-shard UTXO-like transactions. Cerberus aims at maximizing parallel processing at shards while minimizing coordination within and between shards. First, we propose Core-Cerberus, that uses strict environmental requirements to enable simple yet powerful multi-shard transaction processing. In our intended UTXO-environment, Core-Cerberus will operate perfectly with respect to all transactions proposed and approved by well-behaved clients, but does not provide any guarantees for other transactions. To also support more general-purpose environments, we propose two generalizations of Core-Cerberus: we propose Optimistic-Cerberus, a protocol that does not require any additional coordination phases in the well-behaved optimistic case, while requiring intricate coordination when recovering from attacks; and we propose Pessimistic-Cerberus, a protocol that adds sufficient coordination to the well-behaved case of Core-Cerberus, allowing it to operate in a general-purpose fault-tolerant environments without significant costs to recover from attacks. Finally, we compare the three protocols, showing their potential scalability and high transaction throughput in practical environments.

研究の動機と目的

• 高パフォーマンスな分散ブロックチェーンシステムにおける、従来のコンセンサスベースのブロックチェーンのスケーラビリティとスループットの制限を解消すること。
• シャーディングされたDLTネットワークにおけるマルチシャーディングUTXO型トランザクション処理のための最小限で協調効率の良いプリミティブを設計すること。
• プロトコルの変種を通じて、高パフォーマンスなオプティミスティック実行と攻撃的環境における耐障害性を両立させること。
• 最小限の協調オーバーヘッドで効率的かつスケーラブルで耐障害性のあるシャーディング間トランザクション処理を実現すること。

提案手法

• Core-Cerberusは、健全なクライアントに対してシャーディングごとに1回のコンセンサスステップで処理を可能にする厳密な環境仮定を採用し、並列処理を最大化するとともに協調を最小限に抑える。
• Optimistic-Cerberusは故障がない場合に追加の協調フェーズを回避し、攻撃発生時でのみ回復メカニズムに依存する。
• Pessimistic-Cerberusは通常動作時に軽量な協調を追加することで、高コストの回復を回避しつつ耐障害性を確保する。
• これらのプロトコルはPBFTの上に構築されているが、下位のコンセンサスプロトコルに依存しないように設計されており、HotStuffなどの他のプロトコルとも統合可能である。
• 順序に依存しないトランザクション処理をサポートすることで、特に高負荷時におけるスループットとレイテンシの低下を改善する。
• UTXOの意味論を活用することで、トランザクション依存関係を削減し、効率的なシャーディング間協調を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチシャーディングトランザクション処理における協調コストを最小限に抑えつつ、Byzantine耐性を維持する方法は何か？
• RQ2 最小限のプロトコルが、シャーディングされたDLTにおいて1トランザクションあたりシャーディングごとに1回のコンセンサスステップで高スループットとスケーラビリティを達成できるか？
• RQ3 マルチシャーディング環境において、安全にオプティミスティック実行と耐障害性回復を組み合わせる方法は何か？
• RQ4 マルチシャーディングトランザクション処理において、パフォーマンス、協調オーバーヘッド、耐障害性の間にはどのようなトレードオフがあるか？

主な発見

• Core-Cerberusは健全な状態下で、シャーディングごとに1回のコンセンサスステップで高スループットを達成し、最大限の並列処理を可能にする。
• Optimistic-Cerberusは通常動作時に追加のコンセンサスフェーズを回避することで協調オーバーヘッドを削減し、健全な環境下でのレイテンシとスループットを向上させる。
• Pessimistic-Cerberusは通常動作時の協調オーバーヘッドをわずかに増加させるだけで強力な耐障害性を提供し、パフォーマンスの著しい低下を伴わずに耐障害性を確保する。
• これらのプロトコルは下位のコンセンサスプロトコルに依存しないため、最適化されたPBFTなどの高スループット実装とも統合可能である。
• 順序に依存しない処理のサポートにより、ブロッキングやレイテンシの低下を軽減し、特に高負荷時におけるパフォーマンスが向上する。