[論文レビュー] Proof-of-Execution: Reaching Consensus through Fault-Tolerant Speculation

Suyash Gupta, Jelle Hellings+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 107被引用数 17

ひとこと要約

Proof-of-Execution (PoE) は、合意に到達する前でも順序に依存しないトランザクション処理と予測実行を可能にする、新しいバシル・フォールトトレラント（BFT）合意プロトコルである。これにより通信コストと遅延が削減される。故障状態下でも、既存の BFT プロトコル（PBFT や HotStuff）と比較して最大 80% の高いスループットを達成しており、実行証明と安全なロールバックにより安全性が保証される。

ABSTRACT

Multi-party data management and blockchain systems require data sharing among participants. To provide resilient and consistent data sharing, transactions engines rely on Byzantine FaultTolerant consensus (BFT), which enables operations during failures and malicious behavior. Unfortunately, existing BFT protocols are unsuitable for high-throughput applications due to their high computational costs, high communication costs, high client latencies, and/or reliance on twin-paths and non-faulty clients. In this paper, we present the Proof-of-Execution consensus protocol (PoE) that alleviates these challenges. At the core of PoE are out-of-order processing and speculative execution, which allow PoE to execute transactions before consensus is reached among the replicas. With these techniques, PoE manages to reduce the costs of BFT in normal cases, while guaranteeing reliable consensus for clients in all cases. We envision the use of PoE in high-throughput multi-party data-management and blockchain systems. To validate this vision, we implement PoE in our efficient ResilientDB fabric and extensively evaluate PoE against several state-of-the-art BFT protocols. Our evaluation showcases that PoE achieves up-to-80% higher throughputs than existing BFT protocols in the presence of failures.

研究の動機と目的

• 高スループットなマルチパーティデータ管理システムにおける、既存のバシル・フォールトトレラント（BFT）合意プロトコルの高い計算コスト、通信コスト、遅延を解消すること。
• 信頼できるコンponents や非故障クライアント、二重パス依存を排除しながらも、バシル障害下で安全性と進行性を維持すること。
• 最終合意に到達する前でも予測実行を可能にすることで、合意のオーバーヘッドを低減する BFT プロトコルを設計すること。
• 悪意あるプライマリが部分的実行や一貫性のない結果を引き起こしても、正しく整合性を保つこと。
• ResilientDB ファブリックへの実装と広範なベンチマークを通じて、プロトコルの性能と耐障害性を検証すること。

提案手法

• PoE は発散しない予測実行を採用し、レプリカがコミットメッセージを待たずに準備メッセージを受信した段階ですぐにトランザクションを実行できる。
• 要求の順序付けと実行を分離し、準備メッセージを通じて部分順序の保証を維持することで、リクエストを順不同で処理する。
• 安全性は実行証明メカニズムによって保証される：クライアントが多数の非故障レプリカから一致する応答を受領すれば、トランザクションを信頼してコミットできる。
• トランザクションが後に一貫性がないと判明した場合、レプリカは安全なロールバックを実行し、レプリカ間の状態収束を保証する。
• PBFT の二次的通信複雑性を回避するため、アグノスティック署名と線形通信パターンを採用してオーバーヘッドを低減する。
• 故障耐性とパフォーマンス最適化を図るため、三段階線形構造（事前準備、準備、コミット）を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安全性や一貫性を損なわずに、BFT 合意に予測実行を安全に適用できるか？
• RQ2 信頼できるコンponents やクライアントの仮定に依存せず、バシル障害に耐性を保ちながら高スループットを達成できる BFT プロトコルはどのように設計できるか？
• RQ3 故障状態下での順不同処理と予測実行が、BFT 合意に与えるパフォーマンスへの影響は何か？
• RQ4 一部のレプリカがトランザクションを早期に実行しても、実行証明メカニズムがクライアントレベルでの信頼性を保証できるか？
• RQ5 PBFT や HotStuff などの最先端 BFT プロトコルと比較して、PoE は故障状況下でのスループットと遅延においてどのように差をつけるか？

主な発見

• 128 レプリカのシミュレーション環境下で故障状態下でも、PoE は PBFT や HotStuff と比較して最大 80% の高いスループットを達成した。
• 合意が最終的に確定する前でも予測実行を可能にすることで、通信コストとクライアント遅延が削減された。
• クライアントが多数の非故障レプリカから一致する応答を受領すれば、実行証明メカニズムにより安全性と進行性が保証される。
• 安全なロールバックにより、悪意あるプライマリの行動に対しても、一貫性のない実行を元に戻すことができ、合意が損なわれない。
• 線形通信パターンとアグノスティック署名方式のおかげで、PBFT のような二次的プロトコルと比較してパフォーマンスが向上した。
• ResilientDB ファブリックにおける評価により、PoE は高スループットかつ故障に強い環境で、既存の BFT プロトコルを上回ることを確認した。