[論文レビュー] ONLAY: Online Layering for scalable asynchronous BFT system

Quan Nguyen, André Cronje|arXiv (Cornell University)|May 13, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 16被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、リーダーレスDAGベースのコンセンサスシステムにおけるオンラインレイヤー割り当てを用いる、新しい階層型プロトコル $L_{\theta}$ に基づく、スケーラブルな非同期Byzantine Fault Tolerance（BFT）フレームワークであるONLAYを紹介する。階層型グラフレイヤー構造とLamportタイムスタンプによる論理時刻順序を活用することで、ブロックチェーンに依存せずに、ノード間で決定的かつ一貫性のあるコンセンサスを達成し、非同期ネットワークにおいて高スルーレートと耐故障性を実現する。

ABSTRACT

This paper presents a new framework, namely \emph{\onlay}, for scalable asynchronous distributed systems. In this framework, we propose a consensus protocol $L_ϕ$, which is based on the Lachesis protocol~\cite{lachesis01}. At the core of $L_ϕ$ protocol, it introduces to use layering algorithm to achieve practical Byzantine fault tolerance (pBFT) in leaderless asynchronous Directed Acyclic Graph (DAG). Further, we present new online layering algorithms for the evolutionary DAGs across the nodes. Our new protocol achieves determistic scalable consensus in asynchronous pBFT by using assigned layers and asynchronous partially ordered sets with logical time ordering instead of blockchains. The partial ordering produced by $L_ϕ$ is flexible but consistent across the distributed system of nodes. We then present the formal model of our layering-based consensus. The model is generalized that can be applied to abstract asynchronous DAG-based distributed systems.

研究の動機と目的

• 既存のDAGベースのコンセンサスプロトコルが、スケーラブルで、決定的かつ非同期Byzantine Fault Toleranceを達成する点での限界を解消すること。
• 新しいレイヤー化メカニズムを導入することで、リーダーレスで非同期なBFTシステムにおけるスケーラビリティと一貫性の課題を克服すること。
• 非同期DAGベースの分散システムに適用可能な、レイヤー化に基づくコンセンサスの一般化されたモデルを形式化すること。
• ブロックチェーン構造に依存せずに、効率的で一貫性があり、耐故障性のある取引承認を可能にすること。
• 一貫性のあるカットと分散された共通知識に基づいて、Lachesisに類似したプロトコルの形式的意味論を提供し、検証可能性と正しさを向上させること。

提案手法

• Lachesis DAGモデルに基づくコンセンサスプロトコル $L_{\theta}$ を提案し、イベントを論理的レイヤーに整理するためのオンラインレイヤー割り当てを採用する。
• イベント伝搬中に動的にレイヤーを割り当てる2つのオンラインレイヤー化アルゴリズム（オンライン最長パスレイヤー化とオンラインCoffman-Grahamアルゴリズム）を採用する。
• Lamportタイムスタンプと「起こった-前に」関係を用いて論理的時刻順序を定義し、ノード間で部分順序の一貫性を保証する。
• コンセンサスの最終性を達成するための重要なイベント（ClothoとAtropos）を特定するためのルートグラフとフレーム割り当ての概念を導入する。
• 一貫性のあるカットの意味論を適用してグローバルなシステム状態を計算し、フォークを検出することで、分散ノード間の一貫性を確保する。
• ピア選択と同期メカニズムを用いてグローバルな一貫性を維持し、効率的な取引承認を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リーダーレスで非同期なBFTシステムは、ブロックチェーンに依存せずに、どのように決定的コンセンサスを達成できるか？
• RQ2 動的DAGベースの分散システムにおいて、スケーラブルで一貫性のあるイベント順序付けを実現するためのレイヤー戦略は何か？
• RQ3 オンラインレイヤー割り当てアルゴリズムは、Byzantine状態下でも耐故障性と一貫性をどのように維持できるか？
• RQ4 非同期性の影響を受けても、DAG内の部分順序がすべてのノードで一貫性を保つための形式的モデルは何か？
• RQ5 Clotho や Atropos のような重要なイベントは、どのように特定され、分散的で耐故障性のある方法で取引の最終化に利用できるか？

主な発見

• $L_{\theta}$ プロトコルは、ブロックチェーンに依存せず、レイヤー化を用いることで、非同期でByzantine Fault Tolerantな環境において決定的かつスケーラブルなコンセンサスを達成する。
• 提案されたオンラインレイヤー化アルゴリズム（オンライン最長パスとオンラインCoffman-Graham）は、計算オーバーヘッドを低く抑えつつ、効率的で動的なレイヤー割り当てを可能にする。
• このフレームワークは、Byzantine障害のないネットワークと1/3-BFT環境の両方をサポートし、攻撃的状況下でも高い耐障害性を示す。
• レイヤー化に基づくコンセンサスの形式的モデルは一般化可能であり、任意の非同期DAGベースの分散システムに適用可能である。
• 一貫性のあるカットとフレーム割り当てを用いることで、グローバルな状態計算の一貫性が保証され、信頼性のあるフォーク検出と除去が可能になる。
• 分散された共通知識と一貫性のあるカットに基づくLachesisの形式的意味論は、コンセンサス特性についての検証可能な基盤を提供する。