[論文レビュー] Fever: Optimal Responsive View Synchronisation

Maofan Yin, Dahlia Malkhi+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2018

Distributed systems and fault tolerance参考文献 52被引用数 110

ひとこと要約

HotStuff は、部分的同期モデルにおけるオプティミスティックレスポンシビリティとリーダー視点変更時の線形通信複雑性を達成する、画期的なビザンチンフォールトトレラント（BFT）レプリケーションプロトコルを提示する。三段階合意形成メカニズムを導入することで、新しいリーダーが O(n) の認証子と最小限の遅延で合意を駆動でき、PBFT や BFT-SMaRt といった二段階プロトコルに比べてスケーラビリティと効率性に優れながら、低遅延と高スループットを維持する。

ABSTRACT

Byzantine Agreement (BA) is a key component in many distributed systems. While Dolev and Reischuk have proven a long time ago that quadratic communication complexity is necessary for worst-case runs, the question of what can be done in practically common runs with fewer failures remained open. In this paper we present the first Byzantine Broadcast algorithm with O(n(f+1)) communication complexity in a model with resilience of n = 2t+1, where 0 ≤ f ≤ t is the actual number of process failures in a run. And for BA with strong unanimity, we present the first optimal-resilience algorithm that has linear communication complexity in the failure-free case and a quadratic cost otherwise.

研究の動機と目的

• PBFT や BFT-SMaRt のような二段階プロトコルにおける、リーダー視点変更時の O(n³) 通信コストという、既存の BFT レプリケーションプロトコルのスケーラビリティの限界を是正すること。
• 部分的同期ネットワークにおいて、正しいリーダーが実際のネットワーク遅延に比例した時間で合意を駆動できる、応答性の高い合意を可能にすること。
• 古典的 BFT プロトコル（DLS、PBFT、Tendermint、Casper）と HotStuff を、共通のグラフベースの投票およびコミット構造に統合したフレームワークを設計すること。
• 視点変更時の複雑なリーダープローフの必要性を排除することで、リーダー交換を簡素化し、通信および暗号的オーバーヘッドを削減すること。
• ブロックチェーン応用におけるチェーン品質の向上を目的に、パフォーマンスコストを負担せずに頻繁なリーダーのローテーションを可能にすること。

提案手法

• 準備段階、準備段階、コミット段階の三段階合意プロトコルを導入し、レプリカが投票後にその投票を変更できるようにすることで、より簡単なリーダー継承を可能にする。
• 投票およびコミットルールをグラフベースのモデルで表現し、安全性は投票およびコミットグラフのルールで保証し、ライブネスはグラフを拡張するパセマーカー部品によって実現する。
• 新しいリーダーが自らの知識から最高の既知のクorum証明書（QC）を選択できるようにすることで、(n−f) 個のレプリカから QC を収集・中継する必要がなくなる。
• 1視点変更あたり O(n) の認証子しか必要としないリーダー交換プロトコルを実装し、リーダーが安定している場合でも交換された場合でも同様に効率的である。
• 複数の視点を同時に処理できるパイプライン実行モデルを導入することで、スループットを向上させる。
• 暗号的オーバーヘッドを削減するため、しきい値署名方式（プロトタイプでは secp256k1 署名のリストを想定）を採用し、将来は高速しきい値署名のサポートを予定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BFT レプリケーションプロトコルは、部分的同期モデルにおいて、リーダー視点変更時の線形通信複雑性とオプティミスティックレスポンシビリティを両立できるか？
• RQ2 大規模なレプリカ数を有する BFT システムにおいて、安全性やライブネスを損なわず、リーダー交換をどのように簡素化できるか？
• RQ3 DLS や PBFT といった古典的プロトコル、Tendermint や Casper といった現代のブロックチェーンプロトコルを含む多様な BFT プロトコルを、同一の形式的記述で統一的に表現できるか？
• RQ4 合意に第三段階を追加することでパフォーマンスにどのような影響が生じるか？ また、二段階プロトコルに比べてスケーラビリティと遅延の面で優れているか？
• RQ5 パフォーマンス劣化を伴わずに、どれほど頻繁なリーダーのローテーションをサポートできるか？ また、その影響はシステムのレジliエンスとチェーン品質にどのように現れるか？

主な発見

• HotStuff は線形の視点変更複雑性を達成：リーダーの安定性に関わらず、1視点変更あたり O(n) の認証子しか送信しない。BFT-SMaRt における O(n³) から HotStuff では O(n) に通信コストが削減された。
• HotStuff はオプティミスティックレスポンシビリティを達成：正しいリーダーは最初の (n−f) 応答を受信した後、実際に発生したネットワーク遅延にのみ依存して合意を駆動できる。これは上限 ∆ に依存しない。
• 100以上ものレプリカを有する環境において、HotStuff は BFT-SMaRt と同等のスループットと遅延を達成したが、視点変更時の通信オーバーヘッドが著しく低減された。
• 128バイトおよび1024バイトのペイロードにおいて、HotStuff は BFT-SMaRt を上回るスループットと遅延を達成した。これは、二乗の帯域幅コストを回避できたためである。
• ネットワーク遅延の実験（5ms ± 0.5ms および 10ms ± 1.0ms）において、HotStuff はスループットおよび遅延の両面で BFT-SMaRt を一貫して上回り、変動する遅延に対しても高い耐性を示した。
• プロトタイプ実装により、HotStuff は視点変更時に追加の認証子を発行しないことが確認された。一方、BFT-SMaRt は視点変更ごとに O(n³) のMACと O(n²) の署名を発行する。