[論文レビュー] FastPay: High-Performance Byzantine Fault Tolerant Settlement

Mathieu Baudet, George Danezis+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 32被引用数 7

ひとこと要約

FastPay は、完全なコンSENSUSに代わる一貫性のあるブロードキャストを用いることで、20の当局を用いて100ミリ秒未塔の大陸内確認遅延と1秒間に80,000件を超える取引を実現する、高性能なビザンチンフォールトトレラント（BFT）決済システムです。シャーディングされた当局を介した水平スケーリングにより、無制限の水平拡張性を達成し、ビザンチン障害下でも安全かつ可用性を維持します。これにより、既存の許可ブロックチェーンや中央集権的RTGSシステムを凌駆します。

ABSTRACT

FastPay allows a set of distributed authorities, some of which are Byzantine, to maintain a high-integrity and availability settlement system for pre-funded payments. It can be used to settle payments in a native unit of value (crypto-currency), or as a financial side-infrastructure to support retail payments in fiat currencies. FastPay is based on Byzantine Consistent Broadcast as its core primitive, foregoing the expenses of full atomic commit channels (consensus). The resulting system has low-latency for both confirmation and payment finality. Remarkably, each authority can be sharded across many machines to allow unbounded horizontal scalability. Our experiments demonstrate intra-continental confirmation latency of less than 100ms, making FastPay applicable to point of sale payments. In laboratory environments, we achieve over 80,000 transactions per second with 20 authorities---surpassing the requirements of current retail card payment networks, while significantly increasing their robustness.

研究の動機と目的

• 完全なコンセンサスプロトコルの遅延およびスケーラビリティのボトル neck を回避する、高性能でビザンチンフォールトトレラントな決済システムの設計。
• 事前資金供与された決済のリアルタイムグロス決済を可能にし、低遅延と高スループットを実現し、小売店での導入に適したものとする。
• 安全および可用性を損なわずに、当局のシャーディングによる水平拡張を可能にする。
• 外部システムとの統合を通じて、ネイティブ暗号資産およびフィアットベースの小規模決済の両方を対象とした、強固で安全かつ効率的な決済レイヤーを提供する。
• 一貫性ブロードキャストが、決済システムにおいてコンセンサスに基づくアプローチを凌駆する性能およびレジリエンスを示すことを実証する。

提案手法

• FastPay は、完全なアトミックブロードキャストやコンセンサスに代わり、ビザンチン一貫性ブロードキャスト（BCB）をコアプリミティブとして使用することで、調整のオーバーヘッドを低減する。
• 支払いの意味論を活用して、受取人アカウントへの非同期かつ並列な更新を可能にし、共有状態を最小限に抑え、並列処理を増加させる。
• 各当局は複数のマシンにシャーディングされ、システムのスループットに対する無制限の水平スケーリングを可能にする。
• システムは、外部のプライマリを統合してクロスシステム決済を管理でき、他の金融システムやブロックチェーンとの相互運用性を実現する。
• 安全および可用性は、完全に非同期ネットワークモデルにおいて形式的に証明されており、ビザンチン障害下でもBCBの性質にのみ依存する。
• 監査可能性は、当局が署名した証明書によって達成され、順序付きブロックチェーンログの必要性を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BFT決済システムは、完全なコンセンサスに依存せずに、100ミリ秒未塔の確認遅延と高スループットを達成できるか？
• RQ2 シャーディングによる水平拡張を可能にしつつ、ビザンチン障害下でも安全および可用性を維持できる支払いシステムはどのように実現できるか？
• RQ3 一貫性ブロードキャストは、高性能決済システムにおけるコンセンサスの代替として効果的に使用できるか？
• RQ4 既存のコンセンサスベースのシステムや中央集権的システムと比較して、高負荷およびビザンチン障害下での本システムの性能はいかがなものか？
• RQ5 小規模決済の分散型決済レイヤーにおいて、パフォーマンス、スケーラビリティ、セキュリティのトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• FastPay は、大陸内での確認遅延が100ミリ秒未塔であり、リアルタイムの小売店での決済に適している。
• 20の当局を用いた実験環境下で、FastPay は1秒間に80,000件を超える取引を達成し、現在の小規模決済カードネットワークのピーク容量を上回っている。
• システムは、重い負荷および3f+1当局構成におけるf個のビザンチン障害下でも、パフォーマンスと正しさを維持している。
• 実験ではピークスループットが1秒間に160,000件に達し、既存の許可ブロックチェーンをはるかに超えるスケーラビリティを示している。
• FastPay は、HyperLedger Fabric や Libra、Corda、Tendermint といったシステムを、スループットおよび遅延の両面で凌駆している。
• 多くのコンセンサスベースのシステムとは異なり、当局の1/3までがビザンチンであっても、安全、可用性、パフォーマンスに損なわれない。