[論文レビュー] PnyxDB: a Lightweight Leaderless Democratic Byzantine Fault Tolerant Replicated Datastore

Loïck Bonniot, Christoph Neumann+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 55被引用数 11

ひとこと要約

PnyxDB は、条件付きエンダースメントを通じたアプリケーションレベルの投票を可能にする、軽量でリーダーレス、Byzantine Fault-Tolerant (BFT) なレプリケートデータストアである。ノードはカスタムポリシーに基づいて取引を拒否できる。PnyxDB は可換演算を活用し、新しい競合解決プロトコルを採用することで、BFT-SmaRt や Tendermint よりも 11 倍低いコミット遅延を実現し、世界規模の 180 ノード環境でも 5 秒未塔を達成している。

ABSTRACT

Byzantine-Fault-Tolerant (BFT) systems are rapidly emerging as a viable technology for production-grade systems, notably in closed consortia deployments for nancial and supply-chain applications. Unfortunately, most algorithms proposed so far to coordinate these systems suffer from substantial scalability issues, and lack important features to implement Internet-scale governance mechanisms. In this paper, we observe that many application workloads offer little concurrency, and propose PnyxDB, an eventually-consistent Byzantine Fault Tolerant replicated datastore that exhibits both high scalability and low latency. Our approach is based on conditional endorsements, that allow nodes to specify the set of transactions that must not be committed for the endorsement to be valid. In addition to its high scalability, PnyxDB supports application-level voting, i.e. individual nodes are able to endorse or reject a transaction according to application-defined policies without compromising consistency. We provide a comparison against BFTSMaRt and Tendermint, two competitors with different design aims, and show that our implementation speeds up commit latencies by a factor of 11, remaining below 5 seconds in a worldwide geodistributed deployment of 180 nodes.

研究の動機と目的

• 生産環境向けシステム、特に閉鎖型コンsortiumにおける、従来の BFT レプリケーションプロトコルのスケーラビリティとガバナンスの制限を解消すること。
• 数十のレプリカを超えると性能が頭打ちになる従来の BFT プロトコルのスケーラビリティの限界を克服すること。
• 一貫性を損なわずに、ノードがカスタムポリシーに基づいて取引を承認または拒否できるアプリケーションレベルの投票を可能にすること。
• Byzantine 故障耐性と最終的一貫性を備えた分散システムにおける民主的意思決定を支援すること。
• 単一障害ポイント、リーダー、信頼できる第三者に依存しない、Byzantine 故障に耐性のあるシステムを設計すること。

提案手法

• 各ノードがコミットしない取引の集合を指定する条件付きエンダースメントを導入し、競合の検出と解決を可能にする。
• 独立した演算の可換性を活用して、順序を無視した実行を可能にしつつ、安全性和最終的一貫性を維持する。
• 条件付き制約に基づいてエンダースメントを検証することで、Byzantine 動作でさえも合意形成と安全성을保証する、変更された Byzantine Quorum プロトコルを設計する。
• 中央集権的なリーダーや信頼できる第三者に依存せず、ノードの回復と調整をウェブ・オブ・トラストモデルで実現する。
• ロールバック率を低く抑えるスペキュラティブな状態同期を実装し、コミット遅延を加速する。
• 一貫性を損なわずにノードが独自の信念に基づいて行動できる、一等級の投票メカニズムを用いたアプリケーション定義ポリシーをサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リーダーや信頼できる第三者に依存せずに、BFT レプリケートデータストアが高いスケーラビリティと低遅延を達成できるか？
• RQ2 BFT システムにおいて、一貫性と故障耐性を保ちながら、アプリケーションレベルの投票をネイティブにサポートできるか？
• RQ3 可換演算をどれだけ活用できるかが、地理的に分散した BFT システムにおけるコミット遅延の低減にどの程度寄与するか？
• RQ4 条件付きエンダースメントは、リーダーレスで民主的な BFT データストアにおいて、競合を効果的に解決できるか？
• RQ5 システムは、現実世界のネットワーク非同期性や悪意ある行動に対して、どの程度の性能を示すか？

主な発見

• PnyxDB は、BFT-SmaRt や Tendermint よりもコミット遅延を 11 倍低減し、世界規模の 180 ノードの地理的に分散した環境でも 5 秒未塔のコミット時間を達成した。
• システムはスケーリングに伴っても安定したコミットスルーレートを維持しており、高負荷およびネットワークの変動性に強く、耐性があることが示された。
• 条件付きエンダースメントにより、ノードはアプリケーション固有のポリシーを表現でき、安全性和一貫性を損なわずに民主的ガバナンスを実現した。
• 可換性とスペキュラティブ実行を活用することで、システムは低遅延性能を達成し、状態同期時のロールバック率も最小限に抑えられた。
• PnyxDB は、リーダーを排除することで、数百のレプリカをサポートでき、単一障害ポイントを回避し、改ざんや操作に対して高いレジリエンスを示した。
• 競合状態ではクエリのドロップが発生するが、クライアントは効率的に再試行でき、競合しない取引は保留中のチェックポイントに依存せず独立して進行するため、ライブネスが保たれた。