[논문 리뷰] FastPay: High-Performance Byzantine Fault Tolerant Settlement

Mathieu Baudet, George Danezis외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 25.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 32인용 수 7

한 줄 요약

FastPay는 20개의 기관을 통해 100ms 미만의 도메인 내 확인 지연과 1초당 80,000건 이상의 거래를 달성하는 고성능 비잔틴 결제 장애 내성(BFT) 정산 시스템이다. 이 시스템은 전체 공감대가 아닌 일관된 브로드캐스트를 사용하여 지연과 확장성 문제를 피하고, 분할된 기관을 통해 무한한 수평 확장성을 확보하며, 비잔틴 장애가 발생하더라도 안전성과 활성화를 유지한다. 이는 기존의 허가된 블록체인과 중심화된 RTGS 시스템을 능가한다.

ABSTRACT

FastPay allows a set of distributed authorities, some of which are Byzantine, to maintain a high-integrity and availability settlement system for pre-funded payments. It can be used to settle payments in a native unit of value (crypto-currency), or as a financial side-infrastructure to support retail payments in fiat currencies. FastPay is based on Byzantine Consistent Broadcast as its core primitive, foregoing the expenses of full atomic commit channels (consensus). The resulting system has low-latency for both confirmation and payment finality. Remarkably, each authority can be sharded across many machines to allow unbounded horizontal scalability. Our experiments demonstrate intra-continental confirmation latency of less than 100ms, making FastPay applicable to point of sale payments. In laboratory environments, we achieve over 80,000 transactions per second with 20 authorities---surpassing the requirements of current retail card payment networks, while significantly increasing their robustness.

연구 동기 및 목표

• 전체 공감대 프로토콜의 지연과 확장성 문제를 피하기 위해 고성능 비잔틴 결함 내성 정산 시스템을 설계하는 것.
• 사전 자금 예치된 결제를 위한 실시간 총정산을 가능하게 하여 낮은 확인 지연과 높은 처리량을 제공함으로써, 포인트오브세일 응용 분야에 적합한 것.
• 안전성과 활성화를 훼손하지 않으면서 기관의 분할(sharding)을 통해 수평 확장성을 지원하는 것.
• 외부 시스템과의 통합을 통해 내재 암호화폐와 화폐 기반 소매 결제를 위한 견고하고 안전하며 효율적인 정산 계층을 제공하는 것.
• 일관된 브로드캐스트가 결제 시스템에서 공감대 기반 접근 방식보다 성능과 복원력 면에서 뛰어나다는 것을 입증하는 것.

제안 방법

• 전체 원자 브로드캐스트나 공감대 대신 비잔틴 일관된 브로드캐스트(BCB)를 핵심 원리로 사용하여 조율 오버헤드를 줄인다.
• 결제의 의미 체계를 활용해 수신자 계정에 대한 비동기적이고 동시적인 업데이트를 가능하게 하여 공유 상태를 최소화하고 동시성을 증가시킨다.
• 각 기관은 다수의 머신에 분할되어 있어 시스템의 처리량에 대해 무한한 수평 확장이 가능하다.
• 시스템은 외부 주요 기관(Primary)과의 통합을 지원하여 시스템 간 결제를 관리하고 다른 금융 시스템이나 블록체인과의 상호운용성을 확보한다.
• 안전성과 활성화는 완전히 비동기 네트워크 모델에서도 비잔틴 장애 상황에서도 BCB 성질에 의존하여 공식적으로 증명된다.
• 기록의 감사 가능성을 기관이 서명한 증명서를 통해 확보하여 순차적 블록체인 로그가 필요 없도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BFT 정산 시스템이 전체 공감대에 의존하지 않고 100ms 이내의 확인 지연과 높은 처리량을 달성할 수 있는가?
• RQ2 분할을 통해 수평 확장성을 지원하면서도 비잔틴 장애 상황에서도 안전성과 활성화를 유지할 수 있는가?
• RQ3 일관된 브로드캐스트가 고성능 결제 시스템에서 공감대를 대체하는 데 효과적으로 사용될 수 있는가?
• RQ4 기존의 공감대 기반 또는 중심화된 시스템과 비교해 고부하 및 비잔틴 장애 상황에서 시스템의 성능은 어떻게 되는가?
• RQ5 소매 결제를 위한 탈중앙화된 정산 계층에서 성능, 확장성, 보안 간의 상호 교환 관계는 어떠한가?

주요 결과

• FastPay는 도메인 내 확인 지연이 100ms 미만임을 입증하여 실시간 포인트오브세일 결제에 적합하다.
• 20개의 기관을 사용할 경우 실험 환경에서 1초당 80,000건 이상의 거래를 달성하여 현재 소매 카드 네트워크의 최대 용량을 초월한다.
• 중요한 부하와 3f+1 기관 구조에서 최대 f개의 비잔틴 장애가 발생하더라도 성능과 정확성이 유지된다.
• 실험 결과 최고 처리량이 1초당 160,000건에 도달하여 기존의 허가된 블록체인을 뛰어넘는 확장성을 입증했다.
• HyperLedger Fabric, Libra, Corda, 그리고 Tendermint 등 기존 시스템보다 처리량과 지연 시간 면에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 1/3 이하의 기관이 비잔틴 장애를 겪더라도 안전성, 활성화, 성능에 영향을 주지 않으며, 많은 공감대 기반 시스템과는 달리 이에 대비할 수 있다.