[論文レビュー] Scaling Blockchain Databases through Parallel Resilient Consensus Paradigm.

Suyash Gupta, Jelle Hellings+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 21被引用数 12

ひとこと要約

この論文では、複数のBFTプロトコルインスタンスを並列で実行することで、プライマリバックアップ型Byzantine Fault Tolerant（BFT）コンセンサスのスルーレットを向上させるプロトコルに依存しないパラダイムであるMultiBFTを提案する。並列インスタンス全体で継続的にクライントトランザクションを順序付けすることにより、MultiBFTは最大2倍の性能向上を達成し、ピークスルーレットは1秒あたり32万件のトランザクションを達成するが、安全性とライブネスを維持する。

ABSTRACT

The recent surge in blockchain applications and database systems has renewed the interest in traditional Byzantine Fault Tolerant consensus protocols (BFT). Several such BFT protocols follow a primary-backup design, in which a primary} replica coordinates the consensus protocol. In primary-backup designs, the normal-case operations are rather simple. At the same time, primary-backup designs place an unreasonable burden on primaries and allows malicious primaries to affect the system throughput substantially, however. To resolve this situation, we propose the MultiBFT paradigm, a protocol-agnostic approach towards improving the performance of primary-backup consensus protocols. At the core of MultiBFT is an approach to continuously order the client-transactions by running several instances of the underlying BFT protocol in parallel. We bring forth our paradigm to two well-established BFT protocols and demonstrate that the rendered parallelized protocols are not only safe and live but also significantly outperform, up to $2 imes$, their original non-parallelized forms. Further, we show that our MultiBFT paradigm reaches a throughput of up to $320$K transactions per second.

研究の動機と目的

• プライマリレプリカの過負荷によって引き起こされるプライマリバックアップ型BFTコンセンサスプロトコルにおける性能ボトルネックを解消すること。
• 悪意あるまたは障害のあるプライマリがシステムスルーレットに与える影響を軽減すること。
• 既存のBFTプロトコルのコアロジックを変更せずに、それらを強化できるプロトコルに依存しないフレームワークを設計すること。
• 安全性とライブネスを保ちながら、コンセンサスインスタンスの並列実行を可能にすることで、ブロックチェーンデータベースをスケーリングすること。

提案手法

• MultiBFTパラダイムは、下位のBFTプロトコルの複数インスタンスを並列で実行することで、レプリカ全体にコンセンサス負荷を分散する。
• 一貫性のある順序付けメカニズムを用いて並列BFTインスタンスを調整することで、クライントトランザクションを継続的に順序付けする。
• このアプローチはプロトコルに依存しないため、コアロジックを最小限に変更するだけで、任意の既存のプライマリバックアップ型BFTプロトコルに適用可能である。
• すべての並列インスタンスにわたる厳密な一貫性とフェイルセーフ保証を強制することで、システムは安全性とライブネスを確保する。
• 協調レイヤーがトランザクションの配分と最終的な順序付けを管理し、競合を防ぎ、グローバル一貫性を保証する。
• 1つのプライマリに依存しないようにすることで、レプリカ全体にコンセンサスワークロードを分散し、単一のプライマリへの依存度を低下させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 並列実行されたBFTコンセンサスインスタンスは、安全性やライブネスを損なわずにスルーレットを向上させることができるか？
• RQ2 MultiBFTパラダイムは、非並列化されたBFTプロトコルと比較して、トランザクションスルーレットの面でどの程度優れているか？
• RQ3 さまざまなワークロードや障害状態下で、MultiBFTパラダイムはブロックチェーンデータベースをどの程度スケーリングできるか？
• RQ4 プロトコル固有の変更を要せず、さまざまなBFTプロトコルに一般に適用可能か？
• RQ5 実際の展開環境において、MultiBFTアプローチで達成可能な最大スルーレットはどの程度か？

主な発見

• MultiBFTパラダイムは、元の非並列化BFTプロトコルと比較して最大2倍の高いスルーレットを達成する。
• 並列化されたプロトコルは、Byzantine障害下でも安全性とライブネスを維持し、正しく信頼性があることを保証する。
• システムはピークスルーレットとして1秒あたり32万件のトランザクションに達し、顕著なスケーラビリティを示す。
• 性能向上は、さまざまなワークロードや障害シナリオにおいて一貫している。
• プロトコルに依存しない設計により、複数の既存BFTプロトコルへのシームレスな統合が可能である。
• 悪意あるまたは過負荷のプライマリレプリカによって引き起こされる性能低下を効果的に緩和する。