[논문 리뷰] Bolt-Dumbo Transformer: Asynchronous Consensus As Fast As the Pipelined BFT

Yuan Lu, Zhenliang Lu외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 17.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 69인용 수 7

한 줄 요약

Bolt-Dumbo Transformer (BDT)는 다소 단순하고 빠른 결정론적 패스웨이를 포함하는 새로운 프레임워크로서, 복잡한 다가값 비잔틴 합의를 대체하는 이진 합의 기반의 효율적인 페이스-싱크 메커니즘을 통해 낙관적 비동기 원자 브로드캐스트를 실현한다. 이로 인해 BDT는 양호한 네트워크 조건에서 2체인 HotStuff와 유사한 낮은 지연 시간 성능을 달성하면서도, 악성 또는 변동성이 큰 네트워크 조건에서도 강건성과 활성화를 유지할 수 있으며, Dumbo와 같은 최신 비동기 프로토콜의 성능을 따라잡는다.

ABSTRACT

An urgent demand of deploying BFT consensus over the Internet is raised for implementing blockchain services. The deterministic (partial) synchronous protocols can be simple and fast in good network conditions, but are subject to denial-of-service when synchrony assumption fails. Asynchronous protocols, on the contrary, are robust against the adversarial network, but are substantially more complicated and slower for the inherent use of randomness. Facing the issues, optimistic asynchronous atomic broadcast ( Kursawe-Shoup, 2002; Ramasamy-Cachin, 2005) was proposed to improve the normal-case performance of the slow asynchronous consensus. They run a deterministic fastlane if the network condition remains good, and can fall back to a fully asynchronous protocol via a pace-synchronization mechanism if the fastlane fails. Unfortunately, existing pace-synchronization directly uses a heavy tool of asynchronous multi-valued validated Byzantine agreement (MVBA). We present Bolt-Dumbo Transformer (BDT), a generic framework for practical optimistic asynchronous atomic broadcast. At the core of BDT, we set forth a new fastlane abstraction that is simple and fast, while preparing honest parties to gracefully face potential fastlane failures caused by malicious leader or bad network. This enables a highly efficient pace-synchronization to handle fallback. The resulting design reduces a cumbersome MVBA to a variant of the conceptually simplest binary agreement only. Besides detailed security analyses, we also give concrete instantiations of our framework and implement them. Extensive experiments demonstrate that BDT can enjoy both the low latency of deterministic protocols (e.g. 2-chain version of HotStuff) and the robustness of state-of-the-art asynchronous protocols in practice.

연구 동기 및 목표

• 네트워크 변동 시 복잡한 비동기 프로토콜인 MVBA로의 패닉 전환으로 성능이 저하되는 낙관적 비동기 BFT 합의의 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 양호한 네트워크 조건에서 낮은 지연 시간 성능을 유지하면서도, 악성 또는 불안정한 네트워크 조건에서도 활성화와 안전성을 보장하는 실용적인 프레임워크를 설계하기 위해.
• 다각도 비잔틴 합의를 최소한의 이진 합의 추상화로 대체함으로써 낙원적 비동기 프로토콜의 페이스-싱크 복잡성을 줄이기 위해.
• 빠른 결정론적 경로와 강력한 패닉 복구 메커니즘을 결합한 일반적이고 조합 가능하며 효율적인 낙원적 비동기 원자 브로드캐스트의 구축을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 양호한 네트워크 조건에서 신뢰할 수 있는 참여자가 신속하게 진행할 수 있도록 하는 결정론적이고 단순하며 효율적인 신속 경로(abstraction)를 도입한다.
• 이중 수준의 패닉 전환 메커니즘을 제안한다: 짧은 네트워크 장애에 대응하는 경량 페이스-싱크(이진 합의 기반), 장기적인 장애에 대응하는 완전한 비낙관적 경로.
• 기존의 무거운 MVBA 기반 페이스-싱크를 최소한의 이진 합의 원리로 대체함으로써 패닉 전환 지연을 크게 감소시킨다.
• 안정적인 리더를 갖춘 2체인 HotStuff 신속 경로와 Dumbo 프로토콜을 비낙관적 패닉 경로로 사용하는 일반적인 조합 패턴을 활용한다.
• 비동기 보안 보장을 갖춘 뷰 변경 유사 메커니즘을 활용하여, 악성 리더나 네트워크 지연으로 인한 신속 경로 실패 상황에서도 활성화를 보장한다.
• sCAST 원리와 함께 프레임워크를 구현하고, 짧고 긴 네트워크 변동 조건을 포함한 현실적인 네트워크 환경에서 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양호한 네트워크 조건에서 낮은 지연 시간 성능을 유지하면서도 악성 또는 불안정한 네트워크 조건에서도 강건성을 유지하는 실용적인 낙원적 비동기 BFT 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ2 복잡한 다가값 비잔틴 합의에서 최소한의 이진 합의 추상화로 단순화된 페이스-싱크 메커니즘이 보안성을 훼손하지 않고도 가능할 수 있는가?
• RQ3 네트워크 변동 조건에서 낙원적 BFT 프로토콜의 패닉 전환에 따른 성능 오버헤드는 얼마이며, 이를 최소화할 수 있는가?
• RQ4 결정론적 빠른 경로와 비동기 패닉 경로를 안전하게 조합할 경우, 효율성과 강건성을 동시에 확보할 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• BDT는 양호한 네트워크 조건에서 2체인 HotStuff와 구분할 수 없을 정도의 성능을 보이며, 낮은 지연 시간의 빠른 경로 동작을 확인한다.
• 짧은 네트워크 장애(예: 2초 간의 악성 기간) 동안 BDT는 몇 초 내로 복구되어 신속한 진행을 재개하며, MVBA 기반 패닉 전환에서 관찰된 25초의 지연을 피한다.
• 장기적인 악성 네트워크 조건(예: 120초)에서는 BDT가 기반 Dumbo 프로토콜의 성능을 거의 완벽하게 따라가며, 효율적인 페이스-싱크로 인한 최소한의 오버헤드만을 보인다.
• MVBA 대신 이진 합의를 사용함으로써 장기적인 네트워크 장애 상황에서 패닉 전환 지연이 MVBA 기반 접근보다 10초 이상 감소한다.
• 형식적으로 증명된 비동기 보안 특성 덕분에 BDT는 모든 네트워크 조건, 악성 메시지 스케줄링 조건에서도 안전성과 활성화를 유지한다.
• 프레임워크는 일반적이고 조합 가능하므로, 어떤 빠른 결정론적 BFT 프로토콜이라도 어떤 강력한 비동기 패닉 복구 메커니즘과도 효율적으로 통합할 수 있다.