[論文レビュー] GRANDPA: a Byzantine Finality Gadget

Alistair Stewart, Eleftherios Kokoris-Kogia|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 15被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、ブロックチェーンシステムにおけるライブネスとセーフティの分離を可能にする、Byzantine最終確定ガジェットであるGRANDPAを紹介する。このガジェットは、検証可能な最終確定を伴う、楽観的な取引実行を可能にする。完全非同期環境下では決定的最終確定が不可能であることを証明するが、Polkadotを保護する部分的同期プロトコルとしてのGRANDPAを提示する。このプロトコルは、最大1/3のByzantine障害を許容しながら、高速かつ最終的な確定を達成し、ネットワークの不安定性から回復しながらもセーフティを維持する。

ABSTRACT

Classic Byzantine fault-tolerant consensus protocols forfeit liveness in the face of asynchrony in order to preserve safety, whereas most deployed blockchain protocols forfeit safety in order to remain live. In this work, we achieve the best of both worlds by proposing a novel abstractions called the finality gadget. A finality gadget allows for transactions to always optimistically commit but informs the clients that these transactions might be unsafe. As a result, a blockchain can execute transactions optimistically and only commit them after they have been sufficiently and provably audited. In this work, we formally model the finality gadget abstraction, prove that it is impossible to solve it deterministically in full asynchrony (even though it is stronger than consensus) and provide a partially synchronous protocol which is currently securing a major blockchain. This way we show that the protocol designer can decouple safety and liveness in order to speed up recovery from failures. We believe that there can be other types of finality gadgets that provide weaker safety (e.g., probabilistic) in order to gain more efficiency and this can depend on the probability that the network is not in synchrony.

研究の動機と目的

• ブロックチェーンコンセンサスにおけるライブネスとセーフティのトレードオフを解消するため、最終確定ガジェット抽象化を導入すること。
• 「ラクティブライナルティ」を、最終確定の前にブロックを楽観的にコミットするメカニズムとして形式化すること。
• 完全非同期環境下でも決定的最終確定が不可能であることを証明すること。これは、ガジェットがコンセンサスよりも強力であるにもかかわらず成立する。
• 部分的同期な最終確定ガジェットであるGRANDPAを設計・検証し、Byzantine障害耐性を備えた高速かつ検証可能な最終確定を達成すること。
• 段階的導入やマルチチェーンエコシステムにおける異種のライトクライアント支援を可能にする、展開の柔軟性を実現すること。

提案手法

• 任意の最終的コンセンサスを備えたブロックチェーンに検証可能な最終確定を追加するサブプロトコルとして、最終確定ガジェット抽象化を導入する。
• 最大1/3のByzantineバリデーターを想定した部分的同期ネットワークモデルを用いて、ガジェットを形式化する。
• 主要な構成要素を定義する：prevotes、precommits、およびチェーンヘッドに対する過半数投票に基づく最終確定ロジック。
• 補題を用いて、ネットワークが同期状態に達した場合に、誠実な参加者が正しいチェーンヘッドを最終的に確定することを証明する。
• GRANDPAのラウンドベースプロトコルを設計する。誠実なプライマリが最良のチェーンをブロードキャストし、誠実な投票者は過半数支持がある最高のチェーンヘッドに事前コミットする。
• 誠実なプライマリと同期状態が保たれる場合、すべての誠実な参加者がグローバル安定化時刻（GST）から6T時間単位以内に正しいブロックを最終化することを証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーンシステムにおいて、ライブネスとセーフティを分離できる最終確定ガジェットを設計できるか？
• RQ2 完全非同期ネットワークモデル下でも、決定的最終確定は達成可能か？
• RQ3 ネットワークの非同期状態からの回復を高速に行いながらも、セーフティを維持できる最終確定ガジェットはどのように実現できるか？
• RQ4 検証可能な最終確定とByzantine障害耐性を達成するための最小限の仮定（例：部分的同期モデル）は何か？
• RQ5 最終確定ガジェットは段階的に導入可能であり、異種のライトクライアント動作をサポートできるか？

主な発見

• 誠実なプライマリと最大1/3のByzantineバリデーターを想定すると、GRANDPAはグローバル安定化時刻（GST）から6T時間単位以内に正しいブロックを最終化することが証明されている。
• 完全非同期環境下では、決定的最終確定が不可能である。これは、ガジェットがコンセンサスよりも強力であるにもかかわらず成立する。非同期環境下でのコンセンサスの不可能性が原因である。
• プロトコルは楽観的実行を可能にする：最終確定の前にブロックをチェーンに追加可能であり、ネットワークの不安定性下でもライブネスが向上する。
• ネットワークのパーティションからの回復が高速である。同期状態が回復すれば、最終確定が遅れても進行が可能である。
• ライトクライアントは、最終確定ガジェットを信頼するか、最長チェーンルールに従うかを選択可能であり、マルチチェーンシステムにおけるクライアントの多様性とスケーラビリティを実現する。
• 最近の有効性補題により、あるブロックが、誠実な参加者がそのブロックを最良のチェーンで確認していない期間に最終化された場合、連続してByzantineプライマリが存在していた必要があることが示され、責任の追及の指標が得られる。