[論文レビュー] ResilientDB: Global Scale Resilient Blockchain Fabric

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

Distributed systems and fault tolerance参考文献 49被引用数 34

ひとこと要約

GeoBFT は地理的スケールのトポロジー認識の分散型BFT合意プロトコルで、ResilientDBに実装され、 geo-scale で高スループットを達成し、 geo 配備において最先端プロトコルを最大六倍上回る。

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 FaultTolerant 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

• 許可型ブロックチェーンにおける geo-scale Byzantine fault-tolerant (BFT) コンセンサスの必要性を動機付ける。
• 地域的にレプリカをクラスタリングしてグローバル通信を最小化するトポロジー認識の分散型合意プロトコルである GeoBFT を提案する。
• 楽観的なクラスタ間通信を備えたグローバル共有プロトコルと、障害時のリモートビュー変更機構を示す。
• 与えられたフォールトモデルの下で GeoBFT の安全性と生存性の証明を提供する。
• ResilientDB ファブリックに実装して他の BFT プロトコルと比較することで GeoBFT を検証する。

提案手法

• レプリカを地域的にクラスタリングし、クラスタ内で独立したローカルPBFT決定を導入する。
• 故障検知を有効にしつつ、グローバル通信を最小化する楽観的なクラスタ間共有プロトコルを開発する。
• クラスター間の悪意ある挙動と障害に対処するリモートビュー変更プロトコルを実装する。
• 指定されたByzantineフォールトモデルの下で GeoBFT の安全性と生存性の特性を証明する。
• ResilientDB の許可型ブロックチェーンファブリックに GeoBFT を統合し、YCSBを用いて Pbft、Zyzzyva、HotStuff、Steward、PoE と比較してベンチマークを行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ローカルクラスタリングと分散意思決定を用いて、 geo-scale でいかに効率的に合意を達成できるか？
• RQ2 geo分散設定で安全性を保ちつつスループットを最大化するクラスタ間通信戦略はどのようなものか？
• RQ3 リモートビュー変更機構を介して障害や悪意のある挙動をどのように検出・回復できるか？
• RQ4 説明された Byzantine モデルの下で GeoBFT は安全性と生存性を保証するか？
• RQ5 GeoBFT は geoスケール展開におけるスループットとスケーラビリティの点で既存の BFT プロトコルとどのように比較されるか？

主な発見

プロトコル	意思決定	通信（ローカル）	通信（グローバル）	中央集権型
GeoBFT (本論文)	z	O(2 z n^2)	O(f z^2)	いいえ
L♯ 単一の意思決定	1	O(4 n^2)	O(f z)	いいえ
Steward	1	O(2 z n^2)	O(z^2)	はい
Zyzzyva	1	O(z n)	はい
Pbft	1	O(2(z n)^2)	はい
PoE	1	O((z n)^2)	はい
HotStuff	1	O(8(z n))	一部

• GeoBFT は geoスケール展開で既存の BFT プロトコルより最大6倍のスループットを達成する。
• GeoBFT は各クラスタがローカルPBFT決定を行う分散設計を提供し、グローバル通信を削減する。
• 楽観的なクラスタ間共有プロトコルは、故障検出機能を維持しつつクラスタ間メッセージを最小化する。
• リモートビュー変更プロトコルは、クラスタ間の障害と悪意のある挙動からの回復を可能にする。
• GeoBFTを用いたResilientDBは、現実の地理的分散設定で検証済みの安全性および生存性保証とともに、スケーラブルな性能を示す。