[논문 리뷰] Cordial Miners: Fast and Efficient Consensus for Every Eventuality

Idit Keidar, Oded Naor외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 18.

Distributed systems and fault tolerance인용 수 6

한 줄 요약

Cordial Miners는 신뢰성 브로드캐스트를 제거하여 최신의 DAG 기반 프로토콜보다 약 2배에 가까운 낮은 지연 시간을 달성하는 바르비시안 원자 브로드캐스트 프로토콜의 가족을 소개한다. 부분적으로 순서가 지정된 데이터 구조인 블록레이스를 사용함으로써 신속한 확산, τ 함수를 통한 로컬 등가성 배제, 효율적인 순서 정렬을 가능하게 하여 양호한 경우 메시지 복잡도가 O(n)이고 최소 3~4.5라운드의 지연 시간을 달성한다.

ABSTRACT

Cordial Miners are a family of efficient Byzantine Atomic Broadcast protocols, with instances for asynchrony and eventual synchrony. They improve the latency of state-of-the-art DAG-based protocols by almost 2X and achieve optimal good-case complexity of O(n) by forgoing Reliable Broadcast as a building block. Rather, Cordial Miners use the blocklace -- a partially-ordered counterpart of the totally-ordered blockchain data structure -- to implement the three algorithmic components of consensus: Dissemination, equivocation-exclusion, and ordering.

연구 동기 및 목표

• 허가된 분산 시스템에서 지연 시간과 메시지 복잡도를 줄이는 바르비시안 원자 브로드캐스트 프로토콜을 설계하는 것.
• 높은 지연 시간과 O(n²)의 메시지 복잡도를 유발하는 신뢰성 브로드캐스트가 필요 없도록 하는 것.
• 신뢰성 브로드캐스트를 사용하지 않으면서도 최적의 O(n) 양호한 경우 메시지 복잡도를 달성하면서도 O(n²)의 악성 경우 복잡도를 유지하는 것.
• 최소한의 통신 오버헤드로 비동기 및 최종적으로 동기화된 네트워크 모델 모두를 지원하는 것.
• 모든 마이너가 동일한 역할을 수행하는 대칭적 합의를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 등가성 블록을 허용하지만 로컬 순서 정렬 시 등가성을 배제하는 부분적으로 순서가 지정된 데이터 구조인 블록레이스를 도입한다.
• 등가성을 탐지하고 제거함으로써 블록레이스를 총순서 정렬된 블록 시퀀스로 변환하는 함수 τ를 사용한다.
• 각 웨이브가 블록 확산 및 슈퍼승인 라운드로 구성되는 웨이브 기반 프로토콜을 사용한다.
• 위조를 방지하기 위해 암호학적 서명을 사용하고, 일관된 블록 순서 정렬을 통해 안전성을 확보한다.
• 타임아웃과 슈퍼승인 임계값(예: 2f+1)을 사용하여 추가적인 통신 없이도 등가성을 내포한 마이너를 탐지하고 제거한다.
• 블록당 트랜잭션을 배치하여 비트 복잡도를 분산 처리함으로써, 양호한 경우 트랜잭션당 O(n)의 비용을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신뢰성 브로드캐스트에 의존하는 프로토콜보다 낮은 지연 시간을 갖는 바르비시안 합의를 달성할 수 있는가?
• RQ2 신뢰성 브로드캐스트를 사용하지 않으면서도 O(n)의 양호한 경우 메시지 복잡도를 유지할 수 있는가?
• RQ3 추가적인 통신 라운드 없이 등가성을 효율적으로 배제할 수 있는가?
• RQ4 부분적으로 순서가 지정된 블록레이스 데이터 구조가 비동기 및 최종적으로 동기화된 모델 모두에서 안전하고 활성화된 합의를 지원할 수 있는가?
• RQ5 DAG 기반 합의 프로토콜에서 지연 시간, 메시지 복잡도, 장애 내성 간의 성능 트레이드오프는 어떠한가?

주요 결과

• 비동기 Cordial Miners 프로토콜은 DAG-Rider와 비교해 기대 지연 시간을 12에서 7.5라운드로, 양호한 경우 지연 시간을 8에서 5라운드로 줄였다.
• 최종적으로 동기화된 버전은 Bullshark와 비교해 기대 지연 시간을 9에서 4.5라운드로, 양호한 경우 지연 시간을 4에서 3라운드로 줄였다.
• f ∈ O(1)이고 네트워크가 동기일 경우, Cordial Miners는 트랜잭션당 O(n)의 분산 메시지 복잡도를 달성한다.
• 프로토콜은 O(n²)의 악성 경우 메시지 복잡도를 유지하며, 바르비시안 합의의 하한선과 일치한다.
• 신뢰성 브로드캐스트를 포기함으로써 2–5라운드의 지연 시간 패널티를 피하면서도 안전성과 활성화를 확보한다.
• 블록레이스 데이터 구조는 τ 함수를 통한 로컬 등가성 배제를 가능하게 하여 추가적인 통신 라운드가 필요 없도록 한다.