[논문 리뷰] Asymmetric Byzantine Consensus.

Christian Cachin, Luca Zanolini|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 18.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 24인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 프로세스가 주관적인 신뢰 가정을 가진 비대칭 Byzantine 쿼orum 시스템을 위한 두 가지 새로운 공감대 프로토콜을 제안한다. 첫 번째 프로토콜은 부분적으로 동기화된 환경에서 디지털 서명을 사용하며, PBFT를 일반화한다; 두 번째 프로토콜은 이성적이고 서명이 없는 프로토콜로, 비대칭 신뢰를 사용하는 공통 코인 원시 기능을 통해 최적의 내성성을 달성한다. 이는 블록체인과 분산 시스템에서의 유연한 신뢰 모델을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Byzantine quorum systems provide a widely used abstraction for realizing consensus in a distributed system prone to Byzantine faults, in which every process has the same failure assumption. Motivated by the requirements of more flexible trust models in the context of blockchain consensus, Cachin and Tackmann (OPODIS 2019) introduced asymmetric quorum systems as a generalization of Byzantine quorum systems, where every process is free to choose which other processes to trust and which not; this results in a subjective, asymmetric trust assumption. Consensus is arguably one of the most important notions in distributed computing and also relevant for practical systems. This work shows how to realize consensus protocols with asymmetric trust. A first protocol works in partially synchronous systems; it generalizes the consensus algorithm underlying PBFT and uses digital signatures. A second protocol is asynchronous, uses no cryptographic signatures, and achieves optimal resilience. Randomization is provided through a common coin primitive with asymmetric trust. The resulting protocols can find application also in other domains.

연구 동기 및 목표

• 기존의 대칭 신뢰 가정의 제한을 해결하기 위해, 특히 현대의 블록체인 시스템에서 요구하는 다양한 신뢰 모델이 가능한 비대칭 신뢰 가정을 가진 전통적인 Byzantine 쿼럼 시스템의 문제를 해결한다.
• 각 프로세스가 누굴 신뢰할지 독립적으로 결정할 수 있는 주관적이고 비대칭적인 신뢰를 지원하는 공감대 프로토콜을 설계한다.
• 디지털 서명에 의존하지 않고 이성적 시스템에서 최적의 내성성을 달성하는 것.
• 비대칭 신뢰 하에서의 공감대를 위한 형식적 프레임워크를 제공하며, 이를 통해 기존의 Byzantine 쿼럼 시스템을 일반화한다.

제안 방법

• 디지털 서명을 사용하여 PBFT 알고리즘을 확장하여 비대칭 쿼럼 선택을 처리하는 부분적으로 동기화된 공감대 프로토콜을 설계한다.
• 비대칭 신뢰를 가진 공통 코인 원시 기능을 도입하여 이성적 프로토콜에서 무작위화를 가능하게 한다.
• 각 프로세스가 주관적인 신뢰에 기반하여 자신만의 쿼럼 집합을 선택하는 비대칭 쿼럼 시스템을 활용하며, 기존의 Byzantine 쿼럼 시스템을 일반화한다.
• 공통 코인 원시 기능을 비대칭 신뢰와 함께 활용하여 서명이 없는 이성적 공감대 프로토콜을 구성하며, 최적의 내성성을 달성한다.
• 안전성과 활성화를 비대칭 신뢰 가정 하에서 확보하기 위해 암호 기반 원천(디지털 서명 및 공통 코인)을 사용한다.
• 각각 부분적으로 동기화된 시스템 모델과 이성적 시스템 모델에 맞는 프로토콜의 정당성과 내성성 한계를 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신뢰가 모든 프로세스 간에 대칭이 아니라 주관적이고 비대칭인 분산 시스템에서 어떻게 공감대를 달성할 수 있는가?
• RQ2 디지털 서명을 사용하여 PBFT를 비대칭 쿼럼 시스템으로 일반화한 부분적으로 동기화된 공감대 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ3 비대칭 신뢰 가정 하에서 디지털 서명 없이 이성적 시스템에서 최적의 내성성을 달성할 수 있는가?
• RQ4 비대칭 신뢰 하에서 이성적 환경에서 어떻게 무작위화를 구현할 수 있으며, 이를 지원하는 원시 기능은 무엇인가?
• RQ5 비대칭 쿼럼 시스템 하에서의 공감대 프로토콜은 기존의 Byzantine 쿼럼 시스템과 비교해 어떤 내성성 및 정당성 보장을 가지는가?

주요 결과

• 부분적으로 동기화된 프로토콜은 비대칭 쿼럼 시스템으로 PBFT를 일반화하며, 부분적으로 동기화된 네트워크와 디지털 서명을 가정할 때 안전성과 활성화를 보장한다.
• 이성적 프로토콜은 디지털 서명 없이도 최적의 내성성(최대 t < n/3)을 달성하며, 비대칭 신뢰를 가진 공통 코인 원시 기능에 의존한다.
• 공통 코인 원시 기능은 비대칭 신뢰 하에서 무작위화를 지원하도록 설계되어 이성적 모델에서 활성화를 가능하게 한다.
• 각 프로토콜은 해당 시스템 모델 하에서 형식적으로 정당성이 입증되었으며, Byzantine 장애 내성의 이론적 한계와 일치하는 내성성 한계를 가진다.
• 이 방법은 블록체인과 비대칭 주관적 신뢰 모델이 요구되는 분산 시스템에서 실용적인 구현을 가능하게 한다.
• 비대칭 신뢰가 적절한 암호 원천(예: 공통 코인, 서명)과 결합될 경우, 내성성이나 정당성에 손상을 주지 않음을 입증한다.