[論文レビュー] Optimal good-case latency for byzantine broadcast and state machine replication

Ittai Abraham, Kartik Nayak+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2020

Distributed systems and fault tolerance被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、同期的認証付きビザンチン合意、ブロードキャスト、および状態機械再現において、理論的下界 $\Delta$ と既存の解決策との間のギャップを埋める $1\Delta$ ファミリのプロトコル—$1\Delta$-BA、$1\Delta$-BB、$1\Delta$-SMR—を提示する。これらのプロトコルは、$f < n/2$ の最適な耐故障性を達成し、良好ケースの遅延を $\Delta + 2\delta$ に近似的に最適化する。これは、Sync HotStuff などの先行ソリューション（$2\Delta$）と比較して、現実的な遅延仮定下で最適な性能を達成する。

ABSTRACT

This paper investigates the problem extit{good-case latency} of Byzantine agreement, broadcast and state machine replication in the synchronous authenticated setting. The good-case latency measure captures the time it takes to reach agreement when all non-faulty parties have the same input (or in BB/SMR when the sender/leader is non-faulty). Previous result implies a lower bound showing that any Byzantine agreement or broadcast protocol tolerating more than $n/3$ faults must have a good-case latency of at least $\Delta$, where $\Delta$ is the assumed maximum message delay bound. Our first result is a family of protocols we call $1\Delta$ that have near-optimal good-case latency. We propose a protocol $1\Delta$-BA that solves Byzantine agreement in the synchronous and authenticated setting with near-optimal good-case latency of $\Delta+2\delta$ and optimal resilience $f<n/2$, where $\delta$ is the actual (unknown) delay bound. We then extend our protocol and present $1\Delta$-BB and $1\Delta$-SMR for Byzantine fault tolerant broadcast and state machine replication, respectively, in the same setting and with the same good-case latency of $\Delta+2\delta$ and $f<n/2$ fault tolerance. Our $1\Delta$-SMR upper bound improves the gap between the best current solution, Sync HotStuff, which obtains a good-case latency of $2\Delta$ per command and the lower bound of $\Delta$ on good-case latency. Finally, we investigate weaker notions of the synchronous setting and show how to adopt the $1\Delta$ approach to these models.

研究の動機と目的

• ビザンチン耐障害性における理論的下界（$\Delta$）と既存プロトコルの良好ケース遅延との間のギャップを埋めること。
• 同期的認証付き仮定下で、ビザンチン合意、ブロードキャスト、および状態機械再現において、近似的に最適な良好ケース遅延を達成するプロトコルを設計すること。
• より弱い同期的モデルへの $1\Delta$ アプローチの拡張を図り、低遅延性と最適な耐故障性を維持すること。
• SMR における Sync HotStuff の $2\Delta$ 良好ケース遅延を改善し、同じ故障耐性で $\Delta + 2\delta$ を達成すること。

提案手法

• 良好ケースにおけるメッセージ遅延を最小限に抑えるために、二段階通信パターンを利用する新しいプロトコルファミリー $1\Delta$ を設計する。
• リーダー主導のアプローチを採用し、非故障リーダーが $\Delta$ 時間以内に通信を開始し、その後に高速なクorumベースの検証フェーズを実行する。
• 事前に $\delta$ を知る必要がないように、実際の未知の遅延 $\delta$ に適応する新しい遅延認識メカニズムを導入する。
• 認証付きメッセージ伝送とクorumベースの整合性チェックを用いて、$f < n/2$ 故障下でも安全かつ活性を保証する。
• 冗長な通信を減らしながらも、耐故障性と低遅延性を維持するように、メッセージ交換パターンを最適化する。
• メッセージ配信タイミングに関する仮定を緩和することで、$1\Delta$ フレームワークをより弱い同期的モデルに適応させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同期的認証付き環境下で、$f < n/2$ の故障に耐えながら、良好ケース遅延が $\Delta + 2\delta$ 以内に収まるビザンチン合意プロトコルは実現可能か？
• RQ2 $1\Delta$ プロトコルファミリーをビザンチン合意からビザンチンブロードキャストおよび状態機械再現へ拡張できるか？その際、同じ遅延境界を維持できるか？
• RQ3 実際の遅延 $\delta$ が未知だが有界であると仮定した場合、ビザンチン耐障害プロトコルの最小達成可能良好ケース遅延は何か？
• RQ4 $1\Delta$ アプローチは、Sync HotStuff などの既存プロトコルと比較して、遅延および耐故障性の面でどのように異なるか？
• RQ5 $1\Delta$ フレームワークは、良好ケース性能を損なわずに、より弱い同期的モデルへ一般化可能か？

主な発見

• $1\Delta$-BA プロトコルは、同期的認証付き環境下で $f < n/2$ の耐故障性を達成し、良好ケース遅延が $\Delta + 2\delta$ であることを実証した。
• $1\Delta$-BB および $1\Delta$-SMR プロトコルは、$1\Delta$-BA と同一の $\Delta + 2\delta$ 良好ケース遅延と $f < n/2$ の耐故障性を継承している。
• $1\Delta$-SMR プロトコルは、Sync HotStuff の $2\Delta$ 良好ケース遅延を改善し、$\Delta + 2\delta$ を達成することで、理論的下界 $\Delta$ に近づいた。
• これらのプロトコルは $f < n/2$ の故障に耐えられ、ビザンチン耐障害性の最適耐故障性閾値と一致する。
• $1\Delta$ アプローチは、より弱い同期的モデルへも適応可能であり、緩和された仮定下でも良好ケース遅延を低く維持できる。
• プロトコルファミリーは、$\delta$ を事前に知る必要がない動的な適応により、近似的に最適な性能を達成している。