[論文レビュー] Narwhal and Tusk: A DAG-based Mempool and Efficient BFT Consensus

George Danezis, Eleftherios Kokoris-Kogias+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2021

Distributed systems and fault tolerance参考文献 36被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、Byzantine Fault-Tolerantシステムにおける高スループットで信頼性の高い取引伝達を実現するDAGベースのメモリプールプロトコルNarwhalと、ゼロメッセージオーバーヘッドの非同期コンセンサスプロトコルTuskを提案する。コンセンサス順序付けと取引伝達を分離することにより、Narwhal-HotStuffは130,000 tx/secの性能を達成し、2秒未塔の遅延を実現する。一方Tuskは160,000 tx/secの性能を達成し、約3秒の遅延を示す。これにより、ブロックチェーンにおける主な性能ボトルネックはコンセンサスではなく、信頼性の高い伝達であることが示された。

ABSTRACT

We propose separating the task of reliable transaction dissemination from transaction ordering, to enable high-performance Byzantine fault-tolerant quorum-based consensus. We design and evaluate a mempool protocol, Narwhal, specializing in high-throughput reliable dissemination and storage of causal histories of transactions. Narwhal tolerates an asynchronous network and maintains high performance despite failures. Narwhal is designed to easily scale-out using multiple workers at each validator, and we demonstrate that there is no foreseeable limit to the throughput we can achieve. Composing Narwhal with a partially synchronous consensus protocol (Narwhal-HotStuff) yields significantly better throughput even in the presence of faults or intermittent loss of liveness due to asynchrony. However, loss of liveness can result in higher latency. To achieve overall good performance when faults occur we design Tusk, a zero-message overhead asynchronous consensus protocol, to work with Narwhal. We demonstrate its high performance under a variety of configurations and faults. As a summary of results, on a WAN, Narwhal-Hotstuff achieves over 130,000 tx/sec at less than 2-sec latency compared with 1,800 tx/sec at 1-sec latency for Hotstuff. Additional workers increase throughput linearly to 600,000 tx/sec without any latency increase. Tusk achieves 160,000 tx/sec with about 3 seconds latency. Under faults, both protocols maintain high throughput, but Narwhal-HotStuff suffers from increased latency.

研究の動機と目的

• 取引伝達と順序付けを混在させるモノリシックコンセンサスプロトコルがブロックチェーンシステムに引き起こす性能ボトルネックを解消すること。
• 非同期ネットワークにおいて因果的順序と耐故障性を保証する、スケーラブルで信頼性の高いメモリプールプロトコルを設計すること。
• 伝達と順序付けを分離することで、ネットワークの非同期性や障害が生じても高スループットのコンセンサスを実現すること。
• 完全な非同期性下でも効率的に動作するゼロメッセージオーバーヘッドのコンセンサスプロトコル（Tusk）を設計すること。
• システム全体のスループットはコンセンサスではなく、信頼性の高い取引伝達に制限されることを実証すること。

提案手法

• Narwhalは、検証者間で因果的順序の保証された信頼性の高いブロードキャストを可能にするDAG構造を用いる。これにより、耐故障性と高スループットが実現される。
• 各検証者は、因果関係とデータの可用性を検証可能な証明書を備えた、ローカルなDAGを維持する。
• Narwhalは、1つの検証者に複数のワーカーを割り当てることでスケーリングを実現し、取引データのストレージと処理を分散化する。
• Narwhal-HotStuffは、NarwhalメモリプールとHotStuffコンセンサスを組み合わせ、ブロックハッシュのみを順序付けすることで、コンセンサス負荷を低減する。
• Tuskは、完全に非同期的かつウェイトフリーなコンセンサスプロトコルであり、NarwhalのDAG構造を活用して、参加者が追加のメッセージを送信せずに最終的な順序を決定できる。
• Tuskは、各検証者が自らのDAGをローカルに検査し、決定フェーズ中にメッセージ交換を一切行わずにグローバル順序を導出することでコンセンサスを達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼性の高い高スループットの取引伝達を、コンセンサス順序付けから分離することで、システムのパフォーマンスを向上させることができるか？
• RQ2 非同期ネットワークにおいて、最小限のオーバーヘッドで因果的順序と耐故障性を保証するメモリプールプロトコルはどのように設計できるか？
• RQ3 Byzantine Fault-Tolerantシステムにおいて、伝達とコンセンサスを分離した場合のパフォーマンスへの影響は何か？
• RQ4 DAGベースのメモリプール上に、ゼロメッセージオーバーヘッドのコンセンサスプロトコルを構築し、非同期性下でも活性性を保証できるか？
• RQ5 ワーカーのスケールアウトは、遅延の増加を伴わずにスループットをどのように向上させるか？

主な発見

• WAN環境で50か所に分散配置された検証者を用いたデプロイにおいて、Narwhal-HotStuffは130,000件以上の取引/秒を達成し、2秒未塔の遅延を実現した。
• 追加のワーカーの増加に伴いスループットが線形に増加し、遅延を増加させることなく600,000件/秒に達した。これは、水平スケーリングの有効性を示している。
• 障害や非同期性が生じた場合、Narwhal-HotStuffは高いスループットを維持するが、リーダーのボトル neck や再送信の影響により遅延が増加する。
• Tuskは160,000件/秒のスループットを達成し、約3秒の遅延を示した。これは、完全な非同期性下でもゼロメッセージオーバーヘッドのコンセンサスで高いパフォーマンスを発揮することを示している。
• 本システムは、少なくとも50%のチェーン品質（すなわち、50%のブロックが誠実な参加者によって生成された）を維持しており、既存のプロトコルの中でも最も高い水準である。
• 伝達と順序付けの分離が、信頼性の高い取引伝達がブロックチェーンにおける主な性能ボトルネックであることを実証した。