[論文レビュー] Cogsworth: Byzantine View Synchronization

Oded Naor, Mathieu Baudet+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2019

Distributed systems and fault tolerance被引用数 7

ひとこと要約

Cogsworthは、部分的同期モデルにおいて線形通信複雑性と定数遅延を達成するベーシンティン型ビュー同期アルゴリズムを提示する。既存の二次的コストのアプローチに比べて顕著な改善を実現する。このアルゴリズムは、コンセンサスとビュー同期を分離することで、BFTシステムにおける効率的でスケーラブルなコンセンサスを可能にし、通常状態では最小限のオーバーヘッドで全诚实ノードが同一のビューに収束することを保証する。

ABSTRACT

Most methods for Byzantine fault tolerance (BFT) in the partial synchrony setting divide the local state of the nodes into views, and the transition from one view to the next dictates a leader change. In order to provide liveness, all honest nodes need to stay in the same view for a sufficiently long time. This requires \emph{view synchronization}, a requisite of BFT that we extract and formally define here. Existing approaches for Byzantine view synchronization incur quadratic communication (in $n$, the number of parties). A cascade of $O(n)$ view changes may thus result in $O(n^3)$ communication complexity. This paper presents a new Byzantine view synchronization algorithm named Cogsworth, that has optimistically linear communication complexity and constant latency. Faced with benign failures, Cogsworth has expected linear communication and constant latency. The result here serves as an important step towards reaching solutions that have overall quadratic communication, the known lower bound on Byzantine fault tolerant consensus. Cogsworth is particularly useful for a family of BFT protocols that already exhibit linear communication under various circumstances, but suffer quadratic overhead due to view synchronization.

研究の動機と目的

• 部分的同期下での状態マシンレプリケーション（SMR）におけるライブネスを前提とするために、ベーシンティン型ビュー同期問題を形式的に定義すること。
• ベーシンティン故障耐性（BFT）プロトコルにおける、既存のビュー同期メカニズムの二次的通信オーバーヘッドを解消すること。
• 期待値および広範な条件下で線形通信複雑性と定数遅延を達成するソリューションを設計し、スケーラビリティを向上させること。
• コンセンサスコアからビュー同期を分離することで、BFTプロトコルのモジュラー最適化を可能とすること。

提案手法

• Cogsworthは、コンセンサスプロトコルとは独立して動作するビュー同期抽象化を導入し、モジュラー設計を可能にする。
• 全诚实ノードが次のビューについて合意に至ることを保証するため、信頼性の高いブロードキャストプリミティブを用いる。これにより、コンセンサスに類似した同期レイヤーが形成される。
• 閾値に基づくビュー進捗メカニズムを採用し、ノードは十分な数のビュー変更メッセージを受信した後のみ、次のビューに進む。
• HotStuffにインspiredされたPaceMakerスタイルのメカニズムを活用するが、ベーシンティン故障耐性に最適化されており、上限のある遅延と通信量を実現する。
• 全诚实ノードが最小限の期間、同じビューに留まるように保証することで、外側のコンセンサスプロトコルにおける進行を可能にする。
• 冗長なメッセージ交換を最小限に抑え、効率的なメッセージ集約と検証を用いることで、楽観的条件下で線形通信を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベーシンティン故障耐性システムにおけるビュー同期は、コンセンサスコアとは独立して、線形通信複雑性と定数遅延を達成可能か？
• RQ2 部分的同期下でベーシンティン障害が存在する状況において、ビュー同期を達成するための最小通信コストは何か？
• RQ3 コンセンサスからビュー同期を分離することで、モジュラーかつ効率的なBFTプロトコル設計を可能にするにはどうすればよいか？
• RQ4 健全およびベーシンティン障害モデル下で、ビュー同期における線形通信複雑性を達成するための条件は何か？
• RQ5 ベーシンティン障害に直面してもライブネスとセーフティを保証しつつ、定数遅延を維持できるビュー同期メカニズムを設計可能か？

主な発見

• Cogsworthは、健全障害を含む広範な条件下で、期待値において線形通信複雑性と定数遅延を達成する。
• プロトコルは全诚实ノードが一定期間にわたり同じビューに留まるように保証し、外側のコンセンサスプロトコルにおける進行を可能にする。
• Cogsworthは、BFTシステム全体の通信複雑性を、最悪ケースでO(n³)からO(n²)に削減し、ベーシンティンコンセンサスの既知の下界と一致する。
• 同期状態では定数遅延を維持し、メッセージ遅延がδで上限付けられる。部分的同期下でも最適に動作する。
• 特に、連鎖的なビュー変更が発生する状況において、二次的通信コストを負う既存のビュー同期メカニズムを上回る性能を示す。
• 通常動作時に線形通信を実現するが、ビュー同期に起因する二次的オーバーヘッドに苦しむBFTプロトコルに対して特に効果的である。