[논문 리뷰] Correctness Analysis of IBFT

Roberto Saltini, Hyland-Wood, David|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 22.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 21인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 Istanbul Byzantine Fault Tolerance (IBFT) 합의 프로토콜을 공식적으로 분석하고, 일시적인 동기화 네트워크 모델 하에서 그의 지속 가능성 및 활성화 보장을 위한 심각한 결함을 규명한다. 이는 PBFT와 Tendermint에 영감을 얻은 두 가지 프로토콜 수정을 제안하여, 비잔티노스 결함에 강건한 지속 가능성과 활성화를 복원하고, 사설 및 협력형 블록체인에서 정확한 최종성 보장을 보장한다.

ABSTRACT

In this paper we analyse the correctness of Istanbul BFT (IBFT), which is a Byzantine-fault-tolerant (BFT) proof-of-authority (PoA) blockchain consensus protocol that ensures immediate finality. We show that the IBFT protocol does not guarantee Byzantine-fault-tolerant consistency and liveness when operating in an eventually synchronous network, and we propose modifications to the protocol to ensure both Byzantine-fault-tolerant consistency and liveness in eventually synchronous settings.

연구 동기 및 목표

• 분산 환경에서 IBFT 합의 프로토콜의 정확성을 공식적으로 검증하는 것.
• 일시적인 동기화 네트워크 모델 하에서 IBFT의 지속 가능성 및 활성화 보장에 대한 실패 원인을 규명하고 분석하는 것.
• IBFT에서 비잔티노스 결함에 강건한 지속 가능성과 활성화를 복원하는 프로토콜 수정을 제안하는 것.
• IBFT의 결함 내성 향상을 위한 두 가지 별개의 아키텍처 접근 방식—PBFT 유사 및 Tendermint 유사—를 비교 분석하는 것.
• 생산용 사설 및 협력형 블록체인 네트워크에서 정확한 최종성을 보장하는 공식적으로 검증되고 구현 가능한 IBFT 변경 사항을 제공하는 것.

제안 방법

• 프로세스 대수 기호를 사용한 IBFT의 공식적 모델링을 통해 프로토콜 동작과 메시지 흐름을 정밀하게 정의하는 것.
• 네트워크 지연 또는 비잔티노스 제안자 존재 시 일관성(지속 가능성) 또는 진전(활성화)을 유지하지 못하는 실패 시나리오를 규명하는 것.
• 확장된 Pre-Prepare 메시지에 잠금된 라운드 값과 재잠금 논리를 포함한 PBFT 유사 솔루션을 제안하여 활성화와 최종성 향상.
• 재잠금 메커니즘에 기반한 Tendermint 유사 솔루션 설계로, 검증자가 일致한 라운드 값을 가진 Quorum Prepare 메시지와 Pre-Prepare 메시지를 사용해 더 높은 라운드로 재잠금할 수 있도록 하는 것.
• 비잔티노스 결함에 강건한 지속성을 확보하기 위한 다섯 가지 프로토콜 수정 사양을 제시하는 것.
• 통신 효율성, 라운드 트립 성능, 제안자 장애 또는 네트워크 지연에 대한 내성성 측면에서 두 솔루션을 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IBFT는 일시적인 동기화 네트워크 모델 하에서 비잔티노스 결함에 강건한 지속성을 보장하는가?
• RQ2 IBFT는 일시적인 동기화 네트워크 모델 하에서 실패 정지 장애가 발생하더라도 비잔티노스 결함에 강건한 활성화를 보장하는가?
• RQ3 IBFT 프로토콜은 일시적인 동기화 하에서 지속성과 활성화를 모두 보장하도록 수정 가능한가?
• RQ4 PBFT 유사 및 Tendermint 유사 수정 사항은 성능 및 정확성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 기존 구현과의 후행 호환성을 유지하면서 IBFT의 결함 내성을 복원하기 위해 어떤 특정 프로토콜 변경 사항이 필요한가?

주요 결과

• IBFT는 일시적인 동기화 네트워크 모델 하에서 비잔티노스 결함에 강건한 지속성을 보장하지 못하며, 이는 정상적인 노드가 블록체인 상태에서 분리될 수 있음을 의미한다.
• IBFT는 일시적인 동기화 네트워크 모델 하에서 메시지 지연과 제안자 결함로 인해 비잔티노스 결함에 강건한 활성화를 보장하지 못한다. 이는 실패 정지 장애가 발생하더라도 마찬가지다.
• PBFT 유사 솔루션은 현재 제안자가 정상이면서 메시지가 라운드 타이머 내에 전달되는 조건 하에서 단일 라운드 내에 결정을 내릴 수 있어, 최적 조건에서 활성화가 향상된다.
• Tendermint 유사 솔루션은 라운드 전환 시 전체 대역폭 사용을 PBFT 유사 접근 방식보다 줄여주며, 고지연 환경에서 더 나은 확장성을 제공한다.
• PBFT 유사 솔루션은 비잔티노스 검증자가 존재하지 않고 네트워크 지연이 라운드 타이머를 초과하는 조건에서 두 통신 단계(Pre-Prepare 및 Prepare) 내에 최종화를 달성할 수 있다.
• 제안된 수정 사항, 특히 잠금된 라운드 추적 기반의 재잠금 메커니즘은 활성화 복원과 무한정 합의 정지 방지를 위해 핵심적이다.