[論文レビュー] Shoal++: High Throughput DAG BFT Can Be Fast!

Balaji Arun, Zekun Li+3 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2024

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ひとこと要約

Shoal++ は、アンカーの頻度を増やす、決定論的なレピュテーション方式によるアンカー選択、並列DAGインスタンスの導入により、エンド・ツー・エンドのトランザクション遅延を 4.5 メッセージ遅延まで低減する高スループットなDAGベースのバシニン故障耐性（BFT）コンセンサスプロトコルである。これは、最先端のDAG-BFTシステムと同等のスループットを達成しながら、先行研究と比較して最大60%の遅延低減を実現する。

ABSTRACT

Today's practical partially synchronous Byzantine Fault Tolerant (BFT) consensus protocols trade off low latency and high throughput. On the one end, traditional BFT protocols such as PBFT and its derivatives optimize for latency. They require, in fault-free executions, only 3 message exchanges to commit, the optimum for BFT consensus. However, this class of protocols typically relies on a single leader, hampering throughput scalability. On the other end, a new class of so-called DAG-BFT protocols demonstrates how to achieve highly scalable throughput by separating data dissemination from consensus, and using every replica as proposer. Unfortunately, existing DAG-BFT protocols pay a steep latency premium, requiring on average 10.5 message exchanges to commit a transactions. This work aims to soften this tension and proposes Shoal++, a novel DAG-based BFT consensus system that offers the throughput of DAGs while reducing commit latency to an average of 4.5 message exchanges. Our empirical findings are encouraging, showing that Shoal++ achieves throughput comparable to state-of-the-art DAG BFT solutions while reducing latency by up to 60%.

研究の動機と目的

• 高スループットなDAG-BFTプロトコルと低遅延な従来のBFTプロトコル（例：PBFT）の間の遅延ギャップを埋めること。
• 高スループットを誇るにもかかわらず、エンド・ツー・エンドの遅延が 10.5 メッセージ遅延にまで達する既存のDAG-BFTプロトコルの問題を解決すること。
• DAG構造を用いて、部分的に同期的な環境でも高速でスケーラブルかつレジリエントなコンセンサスを実現すること。
• DAG-BFTのスループットの利点を維持しつつ、従来のBFTプロトコルの 3 メッセージ遅延の最適値に近づけるシステムを設計すること。
• データフェッチをクリティカルパス上に依存させないことで実用性を向上させ、Byzantineおよび遅延するレプリカに対するレジリエンスを強化すること。

提案手法

• コミットに必要なラウンド数を減らすために、動的に再解釈されたアンカー予定表を用いて、1ラウンドに1回のアンカー頻度を実現する。
• 高速かつ良好な接続状態にあるレプリカのみをアンカー候補として選択する決定論的レピュテーション方式を採用し、信頼性とパフォーマンスを向上させる。
• 各レプリカごとに複数の並列DAGインスタンスを導入することで、提案頻度を向上させ、トランザクションのキューイング遅延を低減する。
• Bullshark Direct Commitルールを活用し、DAG構造に基づいて早期に提案をコミット可能にすることで、故障なしの場合の遅延を最小限に抑える。
• 認証済みDAGを用いることで耐久性を確保し、クリティカルパス上でのデータフェッチを回避することで、Byzantineおよび遅延するレプリカに対するレジリエンスを強化する。
• 通常動作時におけるリーダー／アンカーのタイムアウトを排除し、活性性を保証するのには決定論的レピュテーションと構造的保証のみに依存する。

Figure 1 . Narwhal’s round-based DAG from a validator’s local point of view. All nodes are certified.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DAGベースのBFTプロトコルは、理論的最小値の 3 メッセージ遅延に近いエンド・ツー・エンドの遅延を達成しつつ、高スループットを維持できるか？
• RQ2 既存のDAG-BFTプロトコルにおける遅延の主な要因は何か？ そして、これらを体系的に低減する方法はあるか？
• RQ3 1ラウンドあたりのアンカー頻度を高めることで、コンセンサスの遅延とシステムのレジリエンスにどのような影響を与えるか？
• RQ4 決定論的レピュテーションシステムは、DAG-BFTにおけるアンカー選択と遅延低減にどの程度寄与できるか？
• RQ5 並列DAGインスタンスは、整合性を損なわず、複雑性を増さずにキューイング遅延を効果的に低減できるか？

主な発見

• Shoal++ は、故障なしの場合に、Shoalにおける平均エンド・ツー・エンドのトランザクション遅延を 10.5 メッセージ遅延から 4.5 メッセージ遅延まで低減した。
• プロトコルは、最先端のDAG-BFTシステムと同等のスループットを達成しながら、最大60%の遅延低減を実現した。
• 複数の並列DAGインスタンスの使用により、提案頻度が向上し、キューイング遅延が効果的に低減された。
• 決定論的レピュテーション方式により、パフォーマンスの優れたレプリカのみがアンカーとして選ばれ、信頼性と遅延低減が実現した。
• 認証済みDAGを用いることで、Shoal++ はクリティカルパス上でのデータフェッチを回避し、Byzantineおよび遅延するレプリカに対してレジリエントである。
• 本システムは、DAG-BFTにおける高スループットと低遅延が、互いに排他的ではないことを示しており、従来のBFTプロトコルの 3 メッセージ遅延の最適値に近づいた。

Figure 2 . Bullshark Commit example. Replica 4 observes two ( $f+1$ ) votes for anchor A1, and thus directly commits it. Replica 1 observes only one ( $<f+1$ ) vote, and thus cannot directly commit A1. Upon committing A2, however, it observes that A1 is present in its causal history and indirectly c