[論文レビュー] Mir-BFT: High-Throughput Robust BFT for Decentralized Networks

Chrysoula Stathakopoulou, Tudor David+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 47被引用数 20

ひとこと要約

Mir-BFT は、ハッシュスペースのパーティショニングと署名検証のシャーディングを用いて、重複なしに複数の並列リーダーが分散ネットワークでリクエストバッチを提案できる、高スルーレートのバシリンティ・フォールトトレラント（BFT）プロトコルである。100ノードのWAN環境で、1秒間に60,000件を超える署名付きBitcoinサイズ（500バイト）の取引を処理し、1秒未塔の遅延を達成しており、最先端のBFTプロトコルを大きく上回る性能を発揮しながらも、強力な安全性和とライブネス保証を維持している。

ABSTRACT

This paper presents Mir-BFT, a robust Byzantine fault-tolerant (BFT) total order broadcast protocol aimed at maximizing throughput on wide-area networks (WANs), targeting deployments in decentralized networks, such as permissioned and Proof-of-Stake permissionless blockchain systems. Mir-BFT is the first BFT protocol that allows multiple leaders to propose request batches independently (i.e., parallel leaders), in a way that precludes request duplication attacks by malicious (Byzantine) clients, by rotating the assignment of a partitioned request hash space to leaders. As this mechanism removes a single-leader bandwidth bottleneck and exposes a computation bottleneck related to authenticating clients even on a WAN, our protocol further boosts throughput using a client signature verification sharding optimization. Our evaluation shows that Mir-BFT outperforms state-of-the-art and orders more than 60000 signed Bitcoin-sized (500-byte) transactions per second on a widely distributed 100 nodes, 1 Gbps WAN setup, with typical latencies of few seconds. We also evaluate Mir-BFT under different crash and Byzantine faults, demonstrating its performance robustness. Mir-BFT relies on classical BFT protocol constructs, which simplifies reasoning about its correctness. Specifically, Mir-BFT is a generalization of the celebrated and scrutinized PBFT protocol. In a nutshell, Mir-BFT follows PBFT "safety-wise", with changes needed to accommodate novel features restricted to PBFT liveness.

研究の動機と目的

• 広域ネットワークにおけるリーダー依存型BFTプロトコルの性能ボトルネックを解消すること。これは、1つのリーダーの帯域幅とCPU負荷に起因する。
• Byzantineクライアントの行動が許容される状況下でも、リクエストの重複が生じないよう、複数のリーダーが並列でリクエストを提案できる仕組みを提供すること。
• 非同期ネットワークにおいても強力な安全性和とライブネス保証を維持しながら、100ノードのWAN環境で60,000 TPSを超えるスルーレートをスケーリングすること。
• 小規模で信頼できる委員会に依存する許可ブロックチェーンおよびProof-of-Stakeの許可なしブロックチェーンに対して、実用的でスケーラブルなBFTソリューションを提供すること。

提案手法

• リクエストのハッシュスペースをパーティショニングし、異なるリーダーに非重複な部分集合を割り当てることで、Byzantineクライアントによる重複提案を防止する。
• リーダーの割り当てを定期的にローテートすることで、Byzantineリーダーによるリクエストの遮断攻撃を防ぐ。
• CPU負荷を分散し、各リーダーの検証オーバーヘッドを低減するため、署名検証のシャーディング最適化を実装する。
• PBFTを一般化し、リクエストセットをパーティショニングする各々の並列インスタンスで、ビュー変更およびpre-prepare/prepare/commitフェーズを別々に処理する。
• 正しさを保証し、推論を簡素化するために、クォーラムベースの投票やビュー同期といった古典的なBFT構成要素を活用する。
• 最終的同期仮定を活用してライブネスを保証しながらも、非同期状態でも安全성을維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Byzantineクライアントが存在する状況下でも、リクエストの重複が生じないよう、複数の並列リーダーをサポートできるBFTプロトコルは実現可能か？
• RQ2 グローバルな調整やリーダー間の協調に依存せずに、マルチリーダーBFTプロトコルでリクエストの重複をどのように防止できるか？
• RQ3 並列リーダーシップとクライアントの署名検証シャーディングを組み合わせることで、WAN環境でどの程度の性能向上が達成できるか？
• RQ4 広域ネットワークにおけるクラッシュ故障およびByzantine故障のさまざまな故障モデル下でも、プロトコルは安全性和とライブネスをどのように維持するか？
• RQ5 PBFTのよく理解された論理に基づくBFTプロトコルは、分散ネットワークでスケーリングされた高スルーレートを達成できるか？

主な発見

• Mir-BFT は、100ノード、1 Gbpsの広域ネットワーク環境で、1秒間に60,000件を超える署名付きBitcoinサイズ（500バイト）の取引を処理している。
• 通常運用時でも、地理的に分散されたノード間をカバーしても、典型的な遅延は数秒程度にとどまっている。
• Honeybadger や BEAT といった最先端のBFTプロトコルを、スルーレートおよびグッドプットの両面で著しく上回っている。
• クラッシュ故障およびByzantine故障のさまざまな故障モデル下でも、プロトコルは強力な耐障害性を示しており、優れたレジリエンスを実証している。
• 署名検証のシャーディング最適化は、ボトルネックをネットワーク帯域幅からCPUに効果的にシフトし、効率的なスケーリングを可能にしている。
• Mir-BFT は、WAN環境で並列リーダーのサポート、リクエストの重複防止、強力な安全性和とライブネス保証の3つを同時に達成した初のBFTプロトコルである。