[논문 리뷰] Efficient Synchronous Byzantine Consensus

Ittai Abraham, Srinivas Devadas외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 07.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 36인용 수 48

한 줄 요약

이 논문은 동기 조건 하에서 $f < n/2$ 장애 내성 성능을 달성하면서 $2f+1$ 리플리카를 사용하는 새로운 동기 Byzantine 합의 프로토콜을 제안한다. 상태 기반 복제에서 평균 라운드 복잡도는 3라운드로 감소하고, Byzantine 합의에서는 기대값 기준 8라운드를 기록한다. 이는 이전 연구에서 기대값 기준 24라운드가 필요로 했던 것보다 뛰어나다. 동기 조건을 활용해 쿼orum 교차를 보장하고, 랜덤화된 리더 선출을 통해 일정한 기대 라운드 수를 달성함으로써, 이전 연구보다 뛰어난 성능을 확보한다.

ABSTRACT

We present new protocols for Byzantine state machine replication and Byzantine agreement in the synchronous and authenticated setting. The celebrated PBFT state machine replication protocol tolerates $f$ Byzantine faults in an asynchronous setting using $3f+1$ replicas, and has since been studied or deployed by numerous works. In this work, we improve the Byzantine fault tolerance threshold to $n=2f+1$ by utilizing a relaxed synchrony assumption. We present a synchronous state machine replication protocol that commits a decision every 3 rounds in the common case. The key challenge is to ensure quorum intersection at one honest replica. Our solution is to rely on the synchrony assumption to form a post-commit quorum of size $2f+1$, which intersects at $f+1$ replicas with any pre-commit quorums of size $f+1$. Our protocol also solves synchronous authenticated Byzantine agreement in expected 8 rounds. The best previous solution (Katz and Koo, 2006) requires expected 24 rounds. Our protocols may be applied to build Byzantine fault tolerant systems or improve cryptographic protocols such as cryptocurrencies when synchrony can be assumed.

연구 동기 및 목표

• 동기 조건 하에서 $f < n/2$ Byzantine 장애를 허용하는 실용적인 Byzantine 결함 내성 상태 기반 복제 프로토콜을 설계하여, PBFT의 $f < n/3$ 제한을 초월한다.
• 동기 및 인증 환경에서 Byzantine 합의의 라운드 복잡도를 감소시켜, 이전 연구의 기대값 24라운드 대비 기대값 8라운드를 달성한다.
• 적응형 대상자에 대비해 진전과 종료 보장을 위해, 각 라운드에서 신뢰할 수 있는 리더가 선택될 가능성이 $1/2$인 랜덤화된 리더 선출 메커니즘을 도입한다.
• 제한된 메시지 지연과 시계 오차를 활용해 시계 동기화를 구현함으로써, 암호화된 서명과 함께 사용 가능한 실세계 시스템(암호화폐 및 보안 분산 서비스 등)에 효율적으로 구현 가능하도록 한다.

제안 방법

• 4라운드의 Synod 스타일 핵심 프로토콜을 사용하며, 상태, 제안, 커밋, 알림 단계로 구성된다. 각 리더는 리플리카 상태를 수집하고 전파하여 합의를 이끈다.
• 동기 조건을 활용해 크기가 $2f+1$인 커밋 후 쿼럼을 형성함으로써 쿼럼 교차를 보장한다. 이 쿼럼은 크기가 $f+1$인 어떤 사전 커밋 쿼럼과도 $f+1$개의 신뢰할 수 있는 리플리카에서 교차한다.
• 제안 단계 이후에 리더를 선출하기 위해 랜덤 리더 오라클을 사용하며, 이는 적응형 대상자에 대비해 각 반복에서 신뢰할 수 있는 리더가 선택될 가능성이 $1/2$임을 보장한다.
• 인증을 위해 디지털 서명을 사용하고, 증명서 기반 메커니즘을 적용한다. 값은 유효한 증명서를 가진 리더의 서명이 있을 경우에만 수락된다.
• Byzantine 합의를 위해 고전적인 변환을 적용한다: 각 당사자는 핵심 프로토콜을 동시에 사용해 자신의 입력 값을 방송하고, 이후 모든 신뢰할 수 있는 당사자는 공유된 벡터에서 가장 빈도가 높은 값을 합의한다.
• 제한된 메시지 지연과 제한된 시계 오차를 기반으로 한 간단한 시계 동기화 프로토콜을 도입하여, 외부 시간 원천에 의존하지 않고 잠금된 단계 동기 조건을 구축한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동기 및 인증 환경에서 $f < n/2$ 장애 내성 성능을 달성하면서 기대값 기준 24라운드 이하로 합의를 이룰 수 있는가?
• RQ2 PBFT에서처럼 $3f+1$ 리플리카를 사용하지 않고도 Byzantine 환경에서 쿼럼 교차를 보장할 수 있는가?
• RQ3 동기 조건 하에서 Byzantine 합의의 최소 라운드 복잡도는 얼마이며, 이를 일정한 기대 라운드 수로 줄일 수 있는가?
• RQ4 적응형 대상자에 대비해 진전을 보장하면서도 내성성을 유지할 수 있는 리더 선출 방식은 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ5 $f$가 $n/2$에 가까워지는 상황에서도 동기 조건 하에서 결정당 평균 3라운드로 작동하는 상태 기반 복제 프로토콜을 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 프로토콜은 단지 $2f+1$ 리플리카만으로도 $f < n/2$ Byzantine 장애 내성 성능을 달성하며, 이는 이전 비동기 환경에서의 PBFT가 요구하는 $3f+1$ 리플리카보다 향상된 성능이다.
• 일반적인 경우, 상태 기반 복제 프로토콜은 슬롯당 단지 3라운드의 평균 지연으로 결정을 커밋한다. 이는 지연을 크게 감소시킨다.
• Byzantine 합의 프로토콜은 기대값 기준 8라운드 내에 종료되며, 이는 이전 최고 성능인 기대값 24라운드를 뛰어넘는 성능이다.
• 지정된 송신자가 Byzantine일 경우에도, 후속 반복에서 신뢰할 수 있는 리더가 갈등을 해결함으로써 합의와 유효성을 보장한다.
• 제안 단계 이후에 리더를 선출하는 랜덤화된 리더 선출 방식을 통해, 각 라운드에서 신뢰할 수 있는 리더가 선택될 가능성이 $1/2$로 유지되어, 적응형 대상자에 대비한 내성성을 확보한다.
• 제한된 메시지 지연과 시계 오차만으로도 시계 동기화를 구현할 수 있어, 암호화폐 및 보안 분산 서비스와 같은 실세계 시스템에 효율적으로 구현 가능하다.