[論文レビュー] Proteus: A Scalable BFT Consesus Protocol for Blockchains

Mohammad M. Jalalzai, Costas Busch+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 19被引用数 13

ひとこと要約

Proteus は、n 個のレプリカから動的かつサイズ c のルート委員会を選出することで、メッセージの複雑さを O(n²) から O(cn) に低減するスケーラブルなビザンチンフォールトトレラント（BFT）コンセンサスプロトコルである。c << n である。視点変更時に完全な委員会を置き換えることで、いかなる障害数に対しても安定したパフォーマンスを維持し、200ノードの AWS デプロイメントにおいて、PBFT や Bchain-3 よりもスループットとレイテンシで 2 倍以上優れている。

ABSTRACT

Byzantine Fault Tolerant (BFT) consensus exhibits higher throughput in comparison to Proof of Work (PoW) in blockchains. But BFT-based protocols suffer from scalability problems with respect to the number of replicas in the network. The main reason for this limitation is the quadratic message complexity of BFT protocols. Previously, proposed solutions improve BFT performance for normal operation, but will fall back to quadratic message complexity once the protocol observes a certain number of failures. This makes the protocol performance unpredictable as it is not guaranteed that the network will face a a certain number of failures. As a result, such protocols are only scalable when conditions are favorable (i.e., the number of failures are less than a given threshold). To address this issue we propose Proteus, a new BFT-based consensus protocol which elects a subset of nodes $c$ as a root committee. Proteus guarantees stable performance, regardless of the number of failures in the network and it improves on the quadratic message complexity of typical BFT-based protocols to $O(cn)$, where $c&lt;

研究の動機と目的

• 通常状態および障害状態の両方において、O(n²) の二次的メッセージ複雑さを示す BFT コンセンサスプロトコルのスケーラビリティの制限を解消すること。
• 障害しきい値を超えた場合に、既存の BFT プロトコルが O(n²) 複雑さに低下する性能劣化を克服すること。
• 障害数に依存しないメッセージ複雑さを分離することで、ビザンチン障害の数に関わらず一貫したパフォーマンスを確保すること。
• 単一のプライマリの置き換えではなく、完全なルート委員会の置き換えを行うビュー変更メカニズムを設計し、レジリエンスと効率性を向上させること。
• PBFT や Bchain-3 といったベースライン BFT プロトコルと比較して、大規模デプロイメントにおいて優れたスループットとレイテンシを実現すること。

提案手法

• n 個のレプリカから、c が n よりも漸近的に小さいサイズの動的ルート委員会を選び、メッセージ複雑さを低減する。
• 委員会ベースのアプローチを採用し、ブロックのブロードキャストと検証をルート委員会メンバーに限定することで、ネットワーク全体の通信量を削減する。
• 完全なルート委員会を置き換えるビュー変更プロトコルを実装し、単一のプライマリの置き換えよりも混乱とメッセージオーバーヘッドを低減する。
• 与えられた n と障害確率しきい値（P_f ≤ 8.9×10⁻⁷）に対して最適なルート委員会サイズ c を決定するための確率的モデル（式 2）を適用する。
• t2.large インスタンスを用いた 200 個の AWS EC2 インスタンス上で Proteus をデプロイし、ネットワークサイズとブロックサイズを変化させた条件下で PBFT や Bchain-3 と比較評価する。
• ブロック提案から最終挿入までのレイテンシと、1 秒あたりのトランザクション数（スループット）を測定し、5,000、10,000、15,000 トランザクションのブロックに対して評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 障害数がしきい値を超えた場合でも、BFT コンセンサスプロトコルが準二次的メッセージ複雑さ（O(cn)）を維持し、安定したパフォーマンスを発揮できるか。
• RQ2 ビュー変更時に単一のプライマリではなく完全なルート委員会を置き換えることで、メッセージ複雑さとコンセンサスレイテンシにどのような影響があるか。
• RQ3 委員会ベースの BFT プロトコルは、PBFT や Bchain-3 といった従来の BFT プロトコルと比較して、大規模スケールにおいてどれほどスループットとレイテンシで優れているか。
• RQ4 与えられたネットワークサイズ n と所望の障害確率に対して最適なルート委員会サイズ c は何か。また、そのサイズはどのようにスケーリングされるか。
• RQ5 提案されたプロトコルは、200 レプリカまでのさまざまなブロックサイズとネットワークサイズにおいて、高いパフォーマンスを維持できるか。

主な発見

• 200 ノードのネットワークで 15,000 トランザクションのブロックに対して、Proteus は 1,119 件/秒のスループットを達成し、PBFT（422 件/秒）や Bchain-3（560 件/秒）を上回った。
• 100 ノードで 10,000 トランザクションのブロックに対して、Proteus は 1,123 件/秒のスループットを達成したのに対し、PBFT は 394 件/秒、Bchain-3 は 513 件/秒であった。
• レイテンシは、ネットワークサイズとブロックサイズが増加するにつれて、メッセージ複雑さの低減により Proteus が PBFT や Bchain-3 よりも一貫して低く保たれた。
• ビュー変更時でさえ、Proteus は O(cn) のメッセージ複雑さを維持し、他の BFT プロトコルが見せる O(n²) フォールバックを回避した。
• スケールが大きくなるほど性能向上が顕著であり、大規模デプロイメントにおいて、両ベースラインプロトコルと比較して 2 倍以上の高いスループットを達成した。
• 確率的委員会サイズ決定モデル（式 2）により、すべてのテスト設定で障害確率が 8.9×10⁻⁷ 未満に保たれ、安定したパフォーマンスが実現した。