[논문 리뷰] Evaluating the Red Belly Blockchain

Crain, Tyler, Natoli, Christopher외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 31.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 34인용 수 27

한 줄 요약

레드 벨리 블록체인(RBBC)은 제안자와 검증자를 새로운 방식으로 분할하여 고처리량과 저지연을 달성하는 결정론적 비잔티노스 장애 내성 블록체인이다. 여러 노드에 걸쳐 거래 제안 및 서명 검증 작업을 분산함으로써 RBBC는 14개 데이터센터에 걸쳐 1,000개 노드로 확장되며, 3초 이내의 최종성과 함께 초당 66만 건의 거래를 처리한다. 이는 전통적인 BFT 및 무작위 대안 대비 처리량과 지연 시간 모두에서 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

In this paper, we present the most extensive evaluation of blockchain system to date. To achieve scalability across servers in more than 10 countries located on 4 different continents, we drastically revisited Byzantine fault tolerant blockchains and verification of signatures. The resulting blockchain, called the Red Belly Blockchain (RBBC), commits more than a hundred thousand transactions issued by permissionless nodes. These transactions are grouped into blocks within few seconds through a partially synchronous consensus run by permissioned nodes. It prevents double spending by guaranteeing that a unique block is decided at any given index of the chain in a deterministic way by all participants. We compared the performance of RBBC against traditional Byzantine fault tolerant alternatives and more recent randomized solutions. In the same geo-distributed environment with low-end machines, we noticed two interesting comparisons: (i) the RBBC throughput scales to hundreds of machines whereas the classic 3-step leader-based BFT state machine used by consortium blockchains cannot scale to 40 identically configured nodes; (ii) RBBC guarantees transaction finality in 3 seconds and experiences a third of the latency that randomized-based solutions like HoneyBadgerBFT can offer. This empirical evaluation demonstrates that blockchain scalability can be achieved without sacrificing security.

연구 동기 및 목표

• 기존 비잔티노스 장애 내성 블록체인의 확장성 한계를 해결하기 위해, 일반적으로 4~40개 노드에서 성능 최적점에 도달하는 문제를 해결한다.
• 수백 또는 수천 개의 지리적으로 분산된 노드로 확장되더라도 강력한 보안 보장을 유지(최종성 및 비잔티노스 장애 내성 포함)하는 블록체인을 설계한다.
• 실세계 조건(네트워크 지연, 비정상 동작 노드, 대규모 워크로드 포함) 하에서 시스템의 성능과 견고성을 평가한다.
• 부분적으로 동기화된 글로벌 분산 환경에서 보안이나 일관성을 희생시키지 않고도 고처리량과 저지연을 달성할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• RBBC는 거래 집합에 따라 서로 다른 제안자 및 검증자 그룹을 할당하는 새로운 분할 메커니즘을 사용하여, 통신 및 계산 부하를 분산시킨다.
• 여러 제안자로부터 온 제안을 '슈퍼 블록'으로 통합함으로써, 합의에 필요한 왕복 지연을 줄이고 합의 인스턴스당 처리량을 증가시킨다.
• 서명 검증도 분할되어, 각 거래는 최소 t+1개 이상, 최대 2t+1개 이하의 검증자에 의해 검증되며, 여기서 t는 견디는 비잔티노스 장애의 최대 수치이다.
• 합의 프로토콜은 시간 최적화 및 복구 능력 최적화를 달성하며, 부분적으로 동기화된 네트워크에서 t < n/3 비잔티노스 장애를 견디며 결정론적 최종성을 보장한다.
• 거래 서명에는 ECDSA를 사용하고, 상태 관리는 UTXO 모델을 사용하여 비트코인의 보안 모델과 호환성을 확보한다.
• 실험은 4개 대륙에 걸친 14개 데이터센터에서 고성능 및 저성능 머신을 활용해 실시되었으며, 워크로드 범위는 1,000에서 50,000명의 요청자까지 포함되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지리적으로 분산된 데이터센터에 걸쳐 수백 또는 수천 개의 노드로 확장되더라도 보안이나 최종성을 희생시키지 않고 결정론적 비잔티노스 장애 내성 블록체인이 성능을 유지를 할 수 있는가?
• RQ2 기존 리더 기반 BFT 프로토콜과 비교했을 때, 제안자와 검증자를 분할함으로써 처리량, 지연 시간, 로드 밸런싱에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 변동하는 지연과 비정상 동작 노드가 있는 실세계 네트워크 조건에서 RBBC의 성능은 어떠한가?
• RQ4 글로벌 분산 배포 환경에서 RBBC의 처리량과 지연 시간은 전통적인 리더 기반 BFT 및 무작위 BFT 프로토콜(HoneyBadgerBFT 포함)과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 메시지 변조 및 지연 전송과 같은 비잔티노스 공격 상황에서 시스템은 성능과 보안을 어느 정도 유지하는가?

주요 결과

• RBBC는 단일 데이터센터에 260台의 머신을 배포하고 낮은 장애 내성 파라미터 t를 사용했을 때, 최대 처리량 66만 건/초를 달성했다.
• 14개 데이터센터에 걸쳐 1,000개의 복제본을 배포한 글로벌 배포 환경에서 RBBC는 약 30,684건/초의 처리량을 유지했으며, 거래 커밋 지연 시간은 약 3초였다.
• RBBC의 지연 시간은 HoneyBadgerBFT의 1/3 수준이었고, 3초 이내 최종성을 달성했으며, 처리량 면에서도 앞서는 성능을 보였다.
• 시스템은 14개 데이터센터에 걸쳐 1,000개 노드로 확장되었으며, 제안자와 검증자를 분할함으로써 버티컬 스케일링의 한계를 피하고 기존 BFT 프로토콜에서 관찰되는 성능 정점 문제를 효과적으로 방지함을 입증했다.
• 비잔티노스 공격 상황에서도 RBBC는 정확한 합의 결정을 유지하고 거래를 계속 커밋했으며, 메시지 변조 및 지연 전송에 대한 내성을 입증했다.
• 시스템은 260개 노드까지 CPU 기반으로 제한되었고, 이후 네트워크 병목 현상으로 인해 성능이 더 이상 향상되지 않았다. 이는 향후 확장에는 네트워크 수준 최적화가 필요함을 시사한다.