[논문 리뷰] Aleph: Efficient Atomic Broadcast in Asynchronous Networks with Byzantine Nodes

Adam Gągol, Damian Leśniak외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 14.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 33인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 비동기 네트워크에서 Byzantine 노드가 존재하는 환경에서도 일관된 지연 시간을 갖는 원자 브로드캐스트를 달성하는 새로운 이 kinds의 비동기 Byzantine Fault Tolerant (ABFT) 프로토콜인 Aleph를 제시한다. HoneyBadgerBFT에 비해 신뢰할 수 있는 딜러가 필요 없고 지연 시간을 로그형에서 상수형으로 줄였다. 신뢰할 수 없는 ABFT 무작위성 비콘과 새로운 경고 시스템을 통해 메모리 고갈 공격에 저항한다.

ABSTRACT

The spectacular success of Bitcoin and Blockchain Technology in recent years has provided enough evidence that a widespread adoption of a common cryptocurrency system is not merely a distant vision, but a scenario that might come true in the near future. However, the presence of Bitcoin's obvious shortcomings such as excessive electricity consumption, unsatisfying transaction throughput, and large validation time (latency) makes it clear that a new, more efficient system is needed. We propose a protocol in which a set of nodes maintains and updates a linear ordering of transactions that are being submitted by users. Virtually every cryptocurrency system has such a protocol at its core, and it is the efficiency of this protocol that determines the overall throughput and latency of the system. We develop our protocol on the grounds of the well-established field of Asynchronous Byzantine Fault Tolerant (ABFT) systems. This allows us to formally reason about correctness, efficiency, and security in the strictest possible model, and thus convincingly prove the overall robustness of our solution. Our protocol improves upon the state-of-the-art HoneyBadgerBFT by Miller et al. by reducing the asymptotic latency while matching the optimal communication complexity. Furthermore, in contrast to the above, our protocol does not require a trusted dealer thanks to a novel implementation of a trustless ABFT Randomness Beacon.

연구 동기 및 목표

• 엄격한 비동기 네트워크 모델에서 Byzantine 장애가 발생하는 환경에서도 실용적이고 효율적인 ABFT 프로토콜을 설계하여 블록체인 시스템에 적용하는 것.
• HoneyBadgerBFT와 같은 이전 시스템에서의 주요 제약 요소인 신뢰할 수 있는 딜러에 대한 의존도를 제거하는 것.
• 원자 브로드캐스트의 渐진적 지연 시간을 로그형에서 상수형으로 줄여, 동기 프로토콜의 낙관적 성능과 동일하게 만드는 것.
• 공격적인 네트워크 조건 하에서도 정확성과 강건성을 보장하는 공식적이고 수학적으로 기반을 둔 보안 모델을 제공하는 것.
• 분산 시스템에서 사용 가능한 신뢰할 수 없는, ABFT 호환 무작위성 비콘을 도입하는 것.

제안 방법

• 노드들이 다수의 부모를 가진 유닛을 생성하는 DAG 기반 아키텍처를 사용하여 효율적이고 내성적인 합의를 달성한다.
• 신뢰할 수 없는 제3자 없이 예측 불가능하고 공통적인 무작위성을 생성하는 새로운 이 kinds의 ABFT 무작위성 비콘을 활용한다.
• 네트워크 통신과 합의 로직을 분리하는 이중 계층 아키텍처를 도입하여 명확성과 모듈성을 향상시킨다.
• 과도한 포크 유닛을 모니터링하여 메모리 고갈 공격을 탐지하고 완화하는 경고 시스템을 도입한다.
• 공격적인 지연과 공모 조건 하에서도 로컬 검증과 글로벌 일관성 유지로 유효성을 보장한다.
• 최적의 통신 복잡도와 상수 지연 시간 검증을 달성하기 위해 G-BFT(Geeralized Byzantine Fault Tolerance) 프레임워크의 변종을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비동기 네트워크에서 상수 지연 시간 원자 브로드캐스트를 갖는 실용적인 ABFT 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ2 신뢰할 수 있는 딜러에 의존하지 않고도 신뢰할 수 없는 ABFT 호환 무작위성 비콘을 어떻게 구성할 수 있는가?
• RQ3 DAG 기반 합의 프로토콜에서 메모리 고갈 공격을 방지할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 비동기 환경에서도 안전성을 유지하면서도 동기 프로토콜의 낙관적 성능을 충족할 수 있는가?
• RQ5 엄격한 Byzantine Fault Tolerance 모델에서 공식적인 정확성과 보안을 어떻게 입증할 수 있는가?

주요 결과

• Aleph는 HoneyBadgerBFT의 O(log n)에서 O(1)로 지연 시간을 줄여 상수 지연 시간 원자 브로드캐스트를 달성했으며, 최적의 통신 복잡도를 유지한다.
• 완전히 신뢰할 수 없는 ABFT 무작위성 비콘을 도입함으로써 신뢰할 수 있는 딜러가 필요 없어졌다.
• 경고 시스템은 DAG 유닛에서의 과도한 포크 행동을 식별함으로써 메모리 고갈 공격을 효과적으로 탐지하고 완화한다.
• 비동기 네트워크에서도 PBFT와 같은 동기 프로토콜의 낙관적 성능인 3라운드 검증 시간을 충족한다.
• 공격 모델은 로컬 검증만으로 구성된 프로토콜이 포크 유닛의 지수적 증가로 인해 정상 노드의 자원을 고갈시킬 수 있음을 시사한다.
• 공식적 분석을 통해 Aleph는 임의의 메시지 지연과 노드 장애 조건 하에서도 트랜잭션의 전체 순서를 보장함을 확인했다.