[논문 리뷰] ACE: Abstract Consensus Encapsulation for Liveness Boosting of State Machine Replication

Alexander Spiegelman, Arik Rinberg|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 24.

Distributed systems and fault tolerance인용 수 2

한 줄 요약

ACE는 부분적 동기화 합의 프로토콜에서 유도된 리더 기반 뷰(LBV) 추상화를 조합함으로써 상태 기계 복제(SMR) 시스템의 이국적 비동기 라이브니스를 향상시키는 모델에 종속되지 않는 프레임워크이다. HotStuff로 구현할 경우, 네트워크 비동기 상태와 비잔티노스 공격 상황에서 기반 HotStuff보다 성능이 뛰어나며, 장애 내성 능력을 희생시키지 않고도 악성 조건에서도 견고한 운영을 가능하게 한다.

ABSTRACT

With the emergence of cross-organization attack-prone byzantine fault-tolerant (BFT) systems, so-called Blockchains, providing asynchronous state machine replication (SMR) solutions is no longer a theoretical concern. This paper introduces ACE: a general framework for the software design of fault-tolerant SMR systems. We first propose a new leader-based-view (LBV) abstraction that encapsulates the core properties provided by each view in a partially synchronous consensus algorithm, designed according to the leader-based view-by-view paradigm (e.g., PBFT and Paxos). Then, we compose several LBV instances in a non-trivial way in order to boost asynchronous liveness of existing SMR solutions. ACE is model agnostic - it abstracts away any model assumptions that consensus protocols may have, e.g., the ratio and types of faulty parties. For example, when the LBV abstraction is instantiated with a partially synchronous consensus algorithm designed to tolerate crash failures, e.g., Paxos or Raft, ACE yields an asynchronous SMR for $n = 2f+1$ parties. However, if the LBV abstraction is instantiated with a byzantine protocol like PBFT or HotStuff, then ACE yields an asynchronous byzantine SMR for $n = 3f+1$ parties. To demonstrate the power of ACE, we implement it in C++, instantiate the LBV abstraction with a view implementation of HotStuff -- a state of the art partially synchronous byzantine agreement protocol -- and compare it with the base HotStuff implementation under different adversarial scenarios. Our evaluation shows that while ACE is outperformed by HotStuff in the optimistic, synchronous, failure-free case, ACE has absolute superiority during network asynchrony and attacks.

연구 동기 및 목표

• 악성 네트워크 조건 하에서 비잔티노스 결함 내성적인 SMR 시스템에서 강력한 비동기 라이브니스를 달성하는 데 도전하는 것.
• 합의 로직을 시스템 모델에서 분리하여 장애 내성적인 SMR 컴포onent의 모듈식 조합을 가능하게 하는 일반 목적의 소프트웨어 프레임워크를 설계하는 것.
• 기존 SMR 프로토콜의 핵심 합의 메커니즘을 변경하지 않고도, 뷰별로 행동을 추상화하고 재사용함으로써 기존 프로토콜의 라이브니스를 향상시키는 것.
• 기본 합의 모델에 관계없이 $n = 3f+1$ 결함 내성성을 유지하면서도 비동기 라이브니스를 달성하는 솔루션을 제공하는 것.

제안 방법

• 부분적 동기화 합의 알고리즘(PBFT 또는 Paxos 등)의 각 뷰에서 핵심 성질을 봉인하기 위해 리더 기반 뷰(LBV) 추상화를 도입한다.
• 비트리비어가 아닌 방식으로 다수의 LBV 인스턴스를 조합하여 비동기 라이브니스를 달성하며, 결함 유형이나 비율과 같은 모델 전용 가정을 추상화한다.
• 모든 부분적 동기화 합의 프로토콜(예: Raft 등 크래시 전용, PBFT, HotStuff 등 비잔티노스 내성적)에 적용 가능한 모델에 종속되지 않는 프레임워크로 ACE를 설계한다.
• HotStuff를 LBV 인스턴스로 사용하여 C++로 ACE를 구현하며, 뷰 관리 및 리더 선출 메커니즘을 활용해 비동기 복구를 가능하게 한다.
• 네트워크가 비동기 상태가 되더라도 진전을 보장하기 위해 뷰별 조합 전략을 사용하며, 다수의 활성 뷰 인스턴스를 유지한다.
• 합의 로직을 SMR 상태 기계에서 분리하여, 다양한 합의 모델과 결함 가정에 대해 프레임워크를 재사용할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 SMR 프로토콜의 핵심 합의 로직을 수정하지 않고도 비동기 라이브니스를 향상시킬 수 있는 일반 목적의 프레임워크를 설계할 수 있는가?
• RQ2 리더 기반 뷰 추상화는 어떻게 조합되어 부분적 동기화 환경에서 더 강력한 라이브니스 보장을 달성할 수 있는가?
• RQ3 ACE는 기반 합의 프로토콜에 비해 네트워크 비동기 상태와 비잔티노스 공격 상황에서 얼마나 더 높은 내성성을 보이는가?
• RQ4 ACE의 모델에 종속되지 않는 설계는 크래시 전용 및 비잔티노스 내성적 합의 프로토콜 모두에 원활하게 통합될 수 있는가?
• RQ5 기본 동기 상태(옵티미스틱)와 악성 조건(비동기) 상태에서 ACE는 어떤 성능 트레이드오프를 겪는가?

주요 결과

• ACE는 네트워크 비동기 상태와 비잔티노스 공격 상황에서 기반 HotStuff보다 라이브니스 측면에서 뛰어나며, 악성 조건에서도 뛰어난 내성성을 입증한다.
• 장애 없이 동작하는 옵티미스틱 상황에서는 ACE가 HotStuff에 비해 뒤처지며, 더 높은 결함 내성성과 비동기 상태에서의 라이브니스 향상에 따른 성능 트레이드오프를 확인한다.
• HotStuff와 같은 부분적 동기화 비잔티노스 프로토콜로 구현할 경우, ACE는 $n = 3f+1$ 당사자에 대해 비동기 SMR를 달성하며 강력한 결함 내성성을 유지한다.
• 프레임워크는 모델 전용 가정을 성공적으로 추상화하여 크래시 결함 및 비잔티노스 결함 내성적 합의 프로토콜 모두에 적용 가능하게 한다.
• ACE의 LBV 인스턴스 조합은 다수의 활성 뷰를 유지하고 리더 복구를 보장함으로써 네트워크가 비동기 상태일 때도 진전을 가능하게 한다.
• 평가 결과 ACE의 추상화 계층이 정확성이나 보안을 손상시키지 않으며, 동시에 악성 네트워크 행동 상황에서의 라이브니스를 크게 향상시킨다.