[논문 리뷰] DBFT: Efficient Byzantine Consensus with a Weak Coordinator and its Application to Consortium Blockchains

Tyler Crain, Vincent Gramoli외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 10.

Distributed systems and fault tolerance인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 디지털 서명이 필요 없이 부분적 동기성 환경에서 시간 최적성과 내성 최적성을 달성하는 결정론적 비잔티노스 합의 알고리즘인 DBFT를 제안한다. 강력한 책임자 대신 약한 책임자를 사용함으로써, 책임자가 고장 나 있거나 느리더라도 합의가 끝나도록 한다. 기존의 리더와 달리 약한 책임자는 자신의 값을 강제하지 않으며, 프로세스들은 메시지의 임계값에 도달하면 독립적으로 결정할 수 있다. 이로 인해 책임자가 고장 났거나 느리더라도 합의가 종료된다. 이 알고리즘은 지리적으로 분산된 환경에서도 비잔티노스 결함이 있는 상황에서 평균 지연 시간이 1초 이내로 작동하며, 랜덤화된 대안보다 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

This paper introduces a deterministic Byzantine consensus algorithm that relies on a new weak coordinator. As opposed to previous algorithms that cannot terminate in the presence of a faulty or slow coordinator, our algorithm can terminate even when its coordinator is faulty, hence the name weak coordinator. The key idea is to allow processes to complete asynchronous rounds as soon as they receive a threshold of messages, instead of having to wait for a message from a coordinator that may be slow. The resulting algorithm assumes partial synchrony, is resilience optimal, time optimal and does not need signatures. Our presentation is didactic: we first present a simple safe binary Byzantine consensus algorithm, modify it to ensure termination, and finally present an optimized reduction from multivalue consensus to binary consensus that may terminate in 4 message delays. To evaluate our algorithm, we deployed it on 100 machines distributed in 5 datacenters across different continents and compared its performance against the randomized solution from Mostefaoui, Moumem and Raynal [PODC14] that terminates in O(1) rounds in expectation. Our algorithm always outperforms the latter even in the presence of Byzantine behaviors. Our algorithm has a subsecond average latency in most of our geo-distributed experiments, even when attacked by a well-engineered coalition of Byzantine processes.

연구 동기 및 목표

• 강력한 책임자에 의존하는 전통적인 비잔티노스 강인성 프로토콜의 한계를 해결하기 위해, 책임자가 고장 났거나 느리면 합의가 멈출 수 있다는 점을 해결한다.
• 디지털 서명이 필요 없이 책임자가 비잔티노스이거나 응답하지 않더라도 합의가 종료되는 결정론적 합의 알고리즘을 설계한다.
• 부분적 동기성 환경에서 시간 최적성(4개의 메시지 지연)과 내성 최적성(t < n/3)을 달성한다.
• 실제 네트워크 조건에서 지연 시간을 줄이고 결함 내성을 향상시켜 콈소르티움 블록체인에 효율적으로 구현할 수 있도록 한다.

제안 방법

• 값을 제안할 뿐 아니라 강제하지 않는 약한 책임자를 도입함으로써, 비고장 프로세스가 책임자의 출력에 의존하지 않고도 진행할 수 있도록 한다.
• 임계값 기반 메커니즘을 사용: 프로세스들은 n−t개의 프로세스로부터 메시지를 수신하면 즉시 결정하며, 책임자에 대한 의존도를 회피한다.
• 이분합의 추상화(BIN CONS)를 빌딩 블록으로 사용하며, 다값합의 문제를 2t+1개의 신뢰성 있는 브로드캐스트(RB-broadcast) 인스턴스를 통해 이분합의 문제로 환원한다.
• RB-broadcast를 3단계 프로토콜로 구현하며, 각 프로세스는 2t+1개의 다른 프로세스로부터 메시지를 수신하면 이를 에코하고 현지에서 메시지를 전달한다.
• 부분적 동기성에 기반하며, t < n/3의 비잔티노스 결함을 가정함으로써 안전성과 활성화를 보장한다.
• 책임자 메시지 대기 없이 라운드를 옵티미스틱하게 실행함으로써 메시지 지연 시간을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 책임자가 고장 났거나 느리더라도, 랜덤화나 서명 없이도 비잔티노스 합의 알고리즘이 종료될 수 있는가?
• RQ2 어떻게 책임자를 약화시킬 수 있을까? 이로 인해 더 이상 합의를 차단하지 않으면서도 종료에 기여할 수 있는가?
• RQ3 부분적 동기성과 내성 최적성 조건 하에서 결정론적 비잔티노스 합의에 필요한 최소 메시지 지연 수는 얼마인가?
• RQ4 비잔티노스 환경에서 다값합의 문제를 상수 시간 종료 보장과 함께 이분합의 문제로 환원할 수 있는가?
• RQ5 실제 지리적으로 분산된 환경에서, 랜덤화된 대안과 비교해 결정론적 약한 책임자 기반 BFT 알고리즘의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• DBFT 알고리즘은 최악의 경우 4개의 메시지 지연 내에 종료되며, 이는 결정론적 비잔티노스 합의에 있어 최적의 성능이다.
• 책임자가 비잔티노스이거나 응답하지 않더라도, 책임자의 출력에 의존하지 않는 임계값 기반 결정 메커니즘 덕분에 합의가 종료됨을 보장한다.
• 5개 대륙에 걸쳐 100台의 머신에서 수행된 지리적 분산 실험에서, DBFT는 조정된 비잔티노스 공격 조건에서도 평균 지연 시간이 1초 이내를 기록했다.
• DBFT는 Mostefaoui 등이 제안한 랜덤화 알고리즘(PODC’14)보다 모든 테스트 시나리오에서 성능이 뛰어나며, 비잔티노스 결함 조건에서도 승리했다.
• 2t+1개의 RB-broadcast 인스턴스를 통해 다값합의를 이분합의 문제로 환원함으로써, t < n/3의 결함 조건 하에서도 상수 시간 종료와 정확성을 보장한다.
• 임계값 기반 에코 및 전달 메커니즘을 사용한 신뢰성 있는 브로드캐스트(RB-broadcast)는 디지털 서명 없이도 안전성과 활성화를 보장한다.