[論文レビュー] ResilientDB

Suyash Gupta, Sajjad Rahnama+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 77被引用数 3

ひとこと要約

GeoBFT は、レプリカをローカルクラスタにグループ化することで、並列コンセンサス実行を可能にし、クラスタ間通信を最小限に抑える、トポロジーに配慮したグローバル規模のビザンチンフォールトトレラントコンセンサスプロトコルである。ResilientDB に実装された本プロトコルは、グローバル展開のデータベース環境において、最新のプロトコルと比較して6倍の性能向上を達成した。

ABSTRACT

Recent developments in blockchain technology have inspired innovative new designs in resilient distributed and database systems. At their core, these blockchain applications typically use Byzantine fault-tolerant consensus protocols to maintain a common state across all replicas, even if some replicas are faulty or malicious. Unfortunately, existing consensus protocols are not designed to deal with geo-scale deployments in which many replicas spread across a geographically large area participate in consensus. To address this, we present the Geo-Scale Byzantine Fault-Tolerant consensus protocol (GeoBFT). GeoBFT is designed for excellent scalability by using a topological-aware grouping of replicas in local clusters, by introducing parallelization of consensus at the local level, and by minimizing communication between clusters. To validate our vision of high-performance geo-scale resilient distributed systems, we implement GeoBFT in our efficient ResilientDB permissioned blockchain fabric. We show that GeoBFT is not only sound and provides great scalability, but also outperforms state-of-the-art consensus protocols by a factor of six in geo-scale deployments.

研究の動機と目的

• 既存のビザンチンフォールトトレラントコンセンサスプロトコルがグローバル分散環境で直面するスケーラビリティの制限を解消すること。
• 大規模かつグローバルに展開されたデータベースシステムにおけるクラスタ間通信のオーバーヘッドを低減すること。
• 広域ネットワークに分散配置されたレプリカを有する許可型ブロックチェーンシステムで、高性能なコンセンサスを実現すること。
• スケーラブルな状況下でも一貫性とフォールトトレラント性を維持できるレジlientsなデータベースファブリックを設計すること。

提案手法

• GeoBFT は、ネットワーク遅延の低減とフォールト隔離の向上を目的に、レプリカを地理的に局所化されたクラスタにグループ化する。
• 各ローカルクラスタ内で並列コンセンサス実行を可能にすることで、スループットの向上と遅延の低減を実現する。
• 各クラスタにプライマリレプリカを指定することで、設計段階からクラスタ間通信を最小限に抑えるトポロジーに配慮したレプリカグループ戦略を採用する。
• クラスタ間通信をバッチ処理し、ビュー変更およびプリプリペアメッセージの最適化によって、通信量を削減する。
• 許可型ブロックチェーンファブリックとしての ResilientDB は、GeoBFT を実装することでエンドツーエンドのレジリエンスとスケーラブルなパフォーマンスを提供する。
• ローカルコンセンサスがグローバルステート同期前に確定する階層型コンセンサスモデルを活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広域ネットワークにまたがるグローバル分散環境において、ビザンチンフォールトトレラントコンセンサスを効果的にスケーリングする方法は何か？
• RQ2 強い一貫性とフォールトトレラント性を維持しつつ、クラスタ間通信を最小限に抑えるアーキテクチャパターンは何か？
• RQ3 局所化されたクラスタ内での並列コンセンサスが、グローバルデータベースシステムのスループットと遅延に顕著な向上をもたらすか？
• RQ4 トポロジーに配慮したレプリカグループ戦略が、実世界の展開におけるコンセンサスプロトコルのパフォーマンスとレジリエンスに与える影響は何か？
• RQ5 許可型ブロックチェーンファブリックは、グローバルスケールの環境において、既存プロトコル比で6倍未満の性能向上を達成できるか？

主な発見

• GeoBFT は、グローバルスケールの展開において、最新のコンセンサスプロトコルと比較して6倍の性能向上を達成した。
• ローカルコンセンサスクラスタの活用により、クラスタ間通信が削減され、クラスタ間メッセージ交換が最小限に抑えられた。
• ローカルクラスタ内での並列コンセンサス実行は、モノリシックなコンセンサスアプローチと比較して、スループットの向上と遅延の低減に顕著な効果を示した。
• GeoBFT を搭載した ResilientDB は、ネットワークパーティションや悪意あるレプリカの動作に対しても、強い一貫性とビザンチンフォールトトレラント性を維持した。
• トポロジーに配慮したクラスタリング戦略により、フォールト隔離が向上し、広域ネットワーク展開におけるエンドツーエンド遅延が低減された。
• 実装結果から、ネットワークトポロジーに最適化された通信パターンを採用することで、グローバル分散型コンセンサスがスケーラブルかつ効率的であることが示された。