[論文レビュー] Fantom: A scalable framework for asynchronous distributed systems

Sang‐Min Choi, Jiho Park+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2018

Distributed systems and fault tolerance被引用数 12

ひとこと要約

Fantomは、Lachesisプロトコルに基づき、Lamportタイムスタンプと支配関係を用いたDAGベースのコンセンサスメカニズムにより、実用的Byzantine Fault Tolerance (pBFT) を達成する、スケーラブルでリーダーなしの非同期分散システムのフレームワークを提案する。n行フラグテーブルによる高速なルート選択の最適化や、一貫性カットと共通知識意味論を用いたコンセンサスの形式的定式化により、高スルーレットで許可なし参加が可能な強力な整合性保証を実現する。

ABSTRACT

We describe \emph{Fantom}, a framework for asynchronous distributed systems. \emph{Fantom} is based on the Lachesis Protocol~\cite{lachesis01}, which uses asynchronous event transmission for practical Byzantine fault tolerance (pBFT) to create a leaderless, scalable, asynchronous Directed Acyclic Graph (DAG). We further optimize the \emph{Lachesis Protocol} by introducing a permission-less network for dynamic participation. Root selection cost is further optimized by the introduction of an n-row flag table, as well as optimizing path selection by introducing domination relationships. We propose an alternative framework for distributed ledgers, based on asynchronous partially ordered sets with logical time ordering instead of blockchains. This paper builds upon the original proposed family of \emph{Lachesis-class} consensus protocols. We formalize our proofs into a model that can be applied to abstract asynchronous distributed system.

研究の動機と目的

• 動的で許可なし参加をサポートするスケーラブルで非同期の分散システムフレームワークの設計。
• 支配関係を用いた経路最適化と効率的なルート選択により、Lachesisプロトコルの強化。
• 一貫性カットと共通知識意味論を用いたDAGベースのシステムにおけるコンセンサスの形式的定式化。
• ブロックチェーンに依存しない、一般化された非同期DAGモデルにおけるByzantine Fault Toleranceの証明。
• ブロックチェーンベースの順序付けをLamportタイムスタンプとOPERAチェーンによる論理的時刻順序付けに置き換え。

提案手法

• フレームワークは、イベントブロックとその依存関係を表すための有向無閉路グラフ（DAG）としてのOPERAチェーンを使用する。
• 各ノードは、以前のイベントを参照するイベントブロックを生成し、左から右への時間的進行を持つ部分順序履歴を形成する。
• Lamportタイムスタンプを用いて、ネットワーク全体におけるイベントのトポロジカル順序を確立する。
• グラフ理論における支配関係を用いて、コンセンサスに影響を与えるイベント（例：ルート、クロトス、アトロポス）を特定する。
• n行フラグテーブルを導入し、祖先関係を効率的に追跡することで、ルート選択を高速化する。
• 連続的一致カットを定義し、グローバルシステム状態をモデル化し、フォークやアトロポスのようなコンセンサスイベントの検出を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DAGベースのコンセンサスプロトコルにおけるルート選択を、スケーラビリティとパフォーマンスの観点からどのように最適化できるか？
• RQ2 DAGにおける支配関係を用いて、ルートやアトロポスのようなコンセンサスに重要なイベントを効率的に特定できるか？
• RQ3 一貫性カットを用いることで、非同期分散システムにおけるグローバル知識とコンセンサスをどのように形式化できるか？
• RQ4 DAGベースのコンセンサスプロトコルにどのような形式的意味論を定義すれば、Byzantine Fault Toleranceの証明が可能になるか？
• RQ5 許可なしでリーダーなしの非同期コンセンサスフレームワークは、ブロックチェーンに依存せずに実用的Byzantine Fault Toleranceを達成できるか？

主な発見

• n行フラグテーブルは、DAG内での祖先関係を効率的に追跡することで、ルート選択の計算コストを顕著に低減する。
• 支配関係の使用により、ルートやアトロポスのような重要なコンセンサスイベントのスケーラブルで正確な同定が可能になる。
• 一貫性カットにより、システムはグローバル知識状態をモデル化し、フォークやアトロポスのようなコンセンサスイベントを高い確率で検出できる。
• 並列共通知識（CCK）に基づく形式的意味論により、LachesisプロトコルにおけるByzantine Fault Toleranceの厳密な証明が可能になる。
• このフレームワークは、非同期的でリーダーなし、許可なしの環境において実用的Byzantine Fault Tolerance（pBFT）を達成し、ノード数に比例する線形スルーレットスケーリングをサポートする。
• このシステムは、悪意ある状況下でも安全で、活性性を保証するため、最大1/3のByzantineノードに耐性があることが形式的に証明されている。