[논문 리뷰] Cobalt: BFT Governance in Open Networks

Ethan MacBrough|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 20.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 13인용 수 14

한 줄 요약

코발트는 참가자에 대한 글로벌 합의 없이도 비균일한 신뢰도를 가진 개방형 분산 네트워크에서 전방성과 최대 장故를 보장하는 새로운 원자 브로드캐스트 프로토콜이다. 이는 일관성 확보를 위해 요구되는 UNL 겹침 비율을 >90%에서 >60%로 감소시켜 더 안전하고 더 민첩한 분산화를 가능하게 하며, 민주적이고 검열에 강한 메커니즘을 통해 라이브니스와 일관성을 보장한다.

ABSTRACT

We present Cobalt, a novel atomic broadcast algorithm that works in networks with non-uniform trust and no global agreement on participants, and is probabilistically guaranteed to make forward progress even in the presence of maximal faults and arbitrary asynchrony. The exact properties that Cobalt satisfies makes it particularly applicable to designing an efficient decentralized "voting network" that allows a public, open-entry group of nodes to agree on changes to some shared set of rules in a fair and consistent manner while tolerating some trusted nodes and arbitrarily many untrusted nodes behaving maliciously. We also define a new set of properties which must be satisfied by any safe decentralized governance algorithm, and all of which Cobalt satisfies.

연구 동기 및 목표

• 참가자에 대한 글로벌 합의 없이도 안전하고 분산된 거버넌스를 가능하게 하는 합의 프로토콜을 설계하는 것.
• 일관성과 라이브니스를 유지하면서도 유니크 노드 리스트(UNL) 간 겹침 비율을 >90%에서 >60%로 감소시키는 것.
• 임의의 비동기성과 최대 장故 상황에서도 전방성을 보장하여 이전 프로토콜에서 관찰된 네트워크 정지 현상을 방지하는 것.
• 거버넌스를 거래 검증과 분리하여, 코발트는 오직 규칙 변경 제안(예: 수정안)에만 사용되며 거래 합의에는 사용되지 않는 것.
• 개방형 네트워크에서의 분산 거버넌스에 특화된 새로운 안전성 및 라이브니스 성질을 정의하고 이를 충족시키는 것.

제안 방법

• 코발트는 민주적이고 신뢰할 수 있는 브로드캐스트(DRBC) 원리를 기반으로 한 수정된 원자 브로드캐스트 프로토콜(DABC)을 사용하여 모든 정상 노드가 동일한 입력에 최종적으로 합의하도록 보장한다.
• 이중 단계 프로토콜을 도입한다: 첫 번째 단계에서는 입력 유효성을 검증하기 위해 노드들이 체크를 브로드캐스트하고, 두 번째 단계에서는 다가치 바이진틴 합의(MVBA) 프로토콜을 사용해 입력에 대해 합의에 도달한다.
• DRBC-검열저항성 및 MVBA-종료 보장 조건을 통해 라이브니스를 강제하여, 악성 네트워크 스케줄링 상황에서도 진전을 보장한다.
• 지역 일관성 조건을 활용한다: 두 정상 노드가 >60%의 UNL 겹침을 가지면, 다른 노드의 겹침 비율과는 무관하게 일관되지 않은 상태에 도달할 수 없다.
• 핵심 하위집합들이 수정안을 승인할 때까지 진행을 차단하는 '대기 프로토콜'을 사용하여 안전성을 확보한다.
• 모든 필수 입력이 수신되었고 합의가 곧 도래할 것임을 인지할 수 있도록 보장하는 '완전 지식' 성질을 정의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 글로벌 참가자 합의 없이도 비균일한 신뢰도를 가진 개방형 네트워크에서 합의 프로토콜이 라이브니스와 일관성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 최대 장고 상황에서 네트워크 정지를 방지하고 일관성을 보장하기 위한 최소 UNL 겹침 임계값은 얼마인가?
• RQ3 어떻게 분산 거버넌스 시스템이 임의의 비동기성과 악성 네트워크 행동 상황에서도 전방성을 확보할 수 있는가?
• RQ4 민주적 입력 선택과 바이진틴 합의를 결합하여 검열에 강하고 확장 가능한 거버넌스 메커니즘을 만들 수 있는가?
• RQ5 안전한 분산 거버넌스 알고리즘을 위해 필요한 성질는 무엇이며, 이를 형식적으로 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 코발트는 일관성 확보를 위한 UNL 겹침 비율을 >90%에서 >60%로 감소시켜 분산화의 민첩성을 크게 향상시켰다.
• 프로토콜은 임의의 비동기성과 최대 장고 상황에서도 확률 1로 전방성을 보장하여 이전 시스템에서 관찰된 네트워크 정지를 방지한다.
• 코발트는 DRBC 신뢰성과 MVBA 종료 보장 조건의 조합을 통해 선형화 가능성과 합의를 보장하며, 노드가 부분적으로 고립되어 있더라도 여전히 기능한다.
• 프로토콜은 완전 지식 성질을 충족하여 노드가 합의가 곧 도래할 것임을 인지하고 불필요한 대기를 피할 수 있다.
• 코발트의 민주적 원자 브로드캐스트 메커니즘은 정상 노드의 충분한 다수에 의해 지지되는 입력들만 승인되도록 보장하여 검열을 방지한다.
• 프로토콜은 개방형 네트워크 모델 하에서 안전성과 라이브니스가 보장되며, 논문의 정리와 보조정리들을 통해 모든 안전성 및 라이브니스 성질이 형식적으로 검증되었다.