[論文レビュー] DispersedLedger: High-Throughput Byzantine Consensus on Variable Bandwidth Networks

Lei Yang, Seo Jin Park+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2021

Distributed systems and fault tolerance参考文献 33被引用数 14

ひとこと要約

DispersedLedgerは、ブロック承認と帯域幅集約的なブロックダウンロードを分離することで、ノードが自らのペースで進行できる非同期Byzantine Fault-Tolerant（BFT）コンセンサスプロトコルである。Verifiable Information Dispersal（VID）を用いてデータの可用性を保証し、ノードが完全なダウンロードを待たずにブロックダイジェストの承認を行うことで、HoneyBadgerと比較して2倍のスループットと74％の遅延低減を実現した。

ABSTRACT

The success of blockchains has sparked interest in large-scale deployments of Byzantine fault tolerant (BFT) consensus protocols over wide area networks. A central feature of such networks is variable communication bandwidth across nodes and across time. We present DispersedLedger, an asynchronous BFT protocol that provides near-optimal throughput in the presence of such variable network bandwidth. The core idea of DispersedLedger is to enable nodes to propose, order, and agree on blocks of transactions without having to download their full content. By enabling nodes to agree on an ordered log of blocks, with a guarantee that each block is available within the network and unmalleable, DispersedLedger decouples bandwidth-intensive block downloads at different nodes, allowing each to make progress at its own pace. We build a full system prototype and evaluate it on real-world and emulated networks. Our results on a geo-distributed wide-area deployment across the Internet shows that DispersedLedger achieves 2x better throughput and 74% reduction in latency compared to HoneyBadger, the state-of-the-art asynchronous protocol.

研究の動機と目的

• 広域ネットワーク（WAN）における変動的かつ非対称なネットワーク帯域幅が、Byzantine Fault-Tolerant（BFT）コンセンサスプロトコルの性能に与える悪影響を是正すること。
• 遅延ノード（ストラグル）が帯域幅の変動によって進行を妨げるWAN環境でも、高スループットのコンセンサスを可能にすること。
• コンセンサスプロセスを完全なブロックダウンロードから分離し、ノードが自らの帯域幅に応じてブロックをダウンロードできるようにすることで、高速ノードの進行をブロックしないこと。
• Verifiable Information Dispersal（VID）を用いて、ノードの帯域幅が低いか変動してもブロックのデータ可用性を保証すること。
• 時間的・空間的帯域幅変動に強く、特に地理的に分散された展開においても高いパフォーマンスを維持できるシステムを設計すること。

提案手法

• BFTコンセンサスを2段階に分解する：(1) ブロックコミットメント（例：Merkleルート）の合意形成、(2) ノードごとに自らの帯域幅レートで独立してブロック取得を行う。
• ブロックデータをノード間で分散保存・配布するため、Verifiable Information Dispersal（VID）を用い、可用性を保証するとともに、Byzantine行動下でも回復可能であることを確保する。
• ノードが分散が成功したのを確認した段階ですぐにブロックコミットメントの承認を可能にし、完全なブロックダウンロードを待たずに済ませる。
• 合意形成フェーズとブロック取得を分離することで、コンセンサス進行が最も遅いノードに制限されなくなる。
• 各ノードがエラーレイシャルコーディングを用いてブロックの一部を保存するブロック分散メカニズムを実装し、分散完了を合意するためのByzantine Agreement（BA）プロトコルを用いる。
• ノードがブロックを復元した段階ですぐにチャンク送信を停止することで、不要なトラフィックを削減し、ブロック取得を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 変動する帯域幅を持つ広域ネットワークにおいて、一部のノードが著しく遅延する状況下でも、BFTコンセンサスプロトコルが近似的に最適なスループットを達成できるか。
• RQ2 帯域幅集約的なブロックダウンロードからコンセンサスを分離することで、ストラグルがシステムスループットを制限しなくなるか。
• RQ3 すべてのノードが完全なブロックをダウンロードした後に承認を行う必要なく、ブロックのデータ可用性を保証できるか。
• RQ4 時間的・空間的帯域幅変動下でのプロトコルのパフォーマンスは、特に実際のインターネット展開においてどうなるか。
• RQ5 128ノードのような大規模クラスタにまでスケーリング可能であり、高スループットと低遅延を維持できるか。

主な発見

• 実際の地球規模にまたがる16都市での展開において、DispersedLedgerはHoneyBadgerと比較して2倍のスループットと74％の遅延低減を達成した。
• 時間的帯域幅変動をGauss-Markov過程でモデル化した制御実験では、DispersedLedgerは一定のスループットを維持したが、HoneyBadgerおよびリンク付きHoneyBadgerはそれぞれ20％および25％のスループット低下を示した。
• ブロックサイズおよびクラスタサイズが大きくなるに従い、ブロック分散に割り当てられるトラフィックの割合が減少し、スケーラビリティが向上し、遅延ノードへの負担が軽減される。
• クラスタサイズが16から128ノードに増加してもスループットはわずかに低下するが、これはByzantine AgreementフェーズにおけるO(N²)のメッセージコストに起因する。しかし、大きなブロックサイズにより固定コストが均等化されるため、この影響は緩和される。
• ノードが最小限の帯域幅でコンセンサスに参加でき、後でブロックダウンロードを追いつけるため、帯域幅の変動に強く、動的ネットワーク環境に耐性がある。
• プロトコルの設計により、二段階のノードロールが可能である：高帯域幅ノードは迅速にコンセンサスに貢献可能であり、低帯域幅ノードもシステムの進行を妨げずに活動を継続できる。