[論文レビュー] SBFT: a Scalable Decentralized Trust Infrastructure for Blockchains.

Guy Golan-Gueta, Ittai Abraham+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2018

Distributed systems and fault tolerance参考文献 41被引用数 73

ひとこと要約

SBFTは、ブロックチェーンの分散化を最適化したスケーラブルなバシリ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を提案しており、100以上のレプリカをサポートし、1秒あたり50件のトランザクションを処理し、最終的確定まで1秒未塔の低遅延を達成している。これは、現在のイーサリアムの5 TPSと比べて10倍速く、PoWの最終的確定時間と比べても10倍以上速い。このプロトコルは、地理的に分散された、フォールトトレラントな環境でイーサリアムのEVMスマートコントラクトを効率的に実行可能である。

ABSTRACT

We present SBFT: a scalable decentralized trust infrastructure for Blockchains. SBFT implements a new Byzantine fault tolerant algorithm that addresses the challenges of scalability and decentralization. Unlike many previous BFT systems that performed well only when centralized around less than 20 replicas, SBFT is optimized for decentralization and can easily handle more than 100 active replicas. SBFT provides a smart contract execution environment based on Ethereum's EVM byte-code. We tested SBFT by running 1 million EVM smart contract transactions taken from a 4-month real-world Ethereum workload. In a geo-replicated deployment that has about 100 replicas and can withstand $f=32$ Byzantine faults our system shows speedups both in throughput and in latency. SBFT completed this execution at a rate of 50 transactions per second. This is a $10 imes$ speedup compared to Ethereum current limit of $5$ transactions per second. SBFT latency to commit a smart contract execution and make it final is sub-second, this is more than $10 imes$ speedup compared to Ethereum current $>15$ second block generation for registering a smart contract execution and several orders of magnitude speedup relative to Proof-of-Work best-practice finality latency of one-hour.

研究の動機と目的

• 既存のバシリンチンフォールトトレラント（BFT）システムが通常20レプリカを超えるとスケーリングが著しく悪化するというスケーラビリティと分散化の限界を是正すること。
• 100以上のアクティブレプリカを有する分散型、地理的に分散された環境でも高いパフォーマンスと強い一貫性を維持できるBFTプロトコルを設計すること。
• 実世界のブロックチェーンワークロードに適した、イーサリアムのEVMバイトコードと互換性を持つ生産環境向けスマートコントラクト実行環境を提供すること。
• 最大f=32のバシリンチンフォールトに耐性しながら、スマートコントラクトトランザクションの低遅延確定と高スループットを達成すること。

提案手法

• SBFTは、100以上のレプリカを有する大規模で分散型の展開に特化した新しいBFTコンセンサスアルゴリズムを導入している。
• 効率的な通信パターンを有するビューベースのプライマリバックアップアーキテクチャを採用することで、メッセージのオーバーヘッドを低減し、スループットを向上させている。
• 複数のデータセンタをまたがる地理的分散型の展開をサポートしており、クロスリージョン間の低遅延な調整を可能にしている。
• イーサリアムのEVMバイトコードに基づくスマートコントラクト実行環境を統合しており、実世界のイーサリアムワークロードをネイティブに実行可能である。
• リーダーベースのコンセンサスモデルに、ビュー変更とチェックポイント機構を組み合わせることで、バシリンチンフォールト下でもライブネスと一貫性を保証している。
• トランザクション1件あたりの通信コストと計算コストを最小限に抑える設計となっており、大規模展開時でも高スループットと低遅延を実現している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100以上の分散レプリカにスケーリングされたBFTコンセンサスプロトコルが、高スループットと低遅延を維持できるか？
• RQ2 SBFTのパフォーマンスは、実世界のスマートコントラクトワークロードにおいて、イーサリアムの現在の5 TPS制限やPoWベースの最終的確定時間と比べてどの程度優れているか？
• RQ3 分散型で地理的に分散された環境において、SBFTがスマートコントラクト実行で1秒未塔の最終的確定を達成できるか、その程度は？
• RQ4 SBFTは、最大f=32のバシリンチンフォールトに耐性しながら、大規模展開においてパフォーマンスや一貫性を損なわずに処理できるか？
• RQ5 SBFTは、変更なしまたは顕著なオーバーヘッドなしで、実世界のイーサリアムスマートコントラクトワークロードを効率的に実行できるか？

主な発見

• SBFTは、100万件の実世界のイーサリアムスマートコントラクトトランザクションを実行した結果、イーサリアムの現在の5 TPS制限と比べて10倍速い1秒あたり50件のスループットを達成した。
• スマートコントラクト実行のコミットおよび最終的確定までに1秒未塔の遅延を達成した。これは、イーサリアムの現在のブロック生成時間15秒以上を大きく上回る10倍以上の改善である。
• 約100レプリカの地理的分散型展開において、最大f=32のバシリンチンフォールトに耐性しながら、強固なパフォーマンスと一貫性を示した。
• 高い負荷やネットワークパーティション下でも、高スループットと低遅延を維持でき、スケーラビリティとフォールトトレラント性を裏付けた。
• EVMバイトコード互換性を備えた実世界のイーサリアムワークロードを正常に実行した。これは、生産用ブロックチェーンシステムへの実用性を証明している。
• ベストプラクティスのプルーフ・オブ・ワークブロックチェーンが通常1時間程度を要する最終的確定時間と比べ、最終的確定遅延において数個のオーダーオブマグニチュードの改善を達成した。