[논문 리뷰] Federated Byzantine Quorum Systems (Extended Version)

Álvaro García-Pérez, Alexey Gotsman|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 08.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스타링크와 리플과 같은 블록체인에서 사용되는 새로운 합의 모델인 연합형 비잔티노스 쿼럼 시스템(Federated Byzantine Quorum Systems, FBQS)을 체계화한다. 이 모델은 노드들이 자체적으로 신뢰하는 피어를 선택하여 쿼럼을 구성하는 방식이다. 노드들이 자신의 신뢰 관계를 거짓으로 보고하더라도 비잔티노스 장애 상황에서 브로드캐스트 추상화의 정당성이 유지됨을 증명함으로써, 각 노드가 쿼럼을 다르게 이해할 수 있는 새로운 유형의 비잔티노스 쿼럼 시스템을 정의한다.

ABSTRACT

Some of the recent blockchain proposals, such as Stellar and Ripple, use quorum-like structures typical for Byzantine consensus while allowing for open membership. This is achieved by constructing quorums in a decentralised way: each participant independently chooses whom to trust, and quorums arise from these individual decisions. Unfortunately, the theoretical foundations underlying such blockchains have not been thoroughly investigated. To close this gap, in this paper we study decentralised quorum construction by means of federated Byzantine quorum systems, used by Stellar. We rigorously prove the correctness of basic broadcast abstractions over federated quorum systems and establish their relationship to the classical Byzantine quorum systems. In particular, we prove correctness in the realistic setting where Byzantine nodes may lie about their trust choices. We show that this setting leads to a novel variant of Byzantine quorum systems where different nodes may have different understanding of what constitutes a quorum.

연구 동기 및 목표

• 스타링크와 리플과 같은 탈중앙화 블록체인에서 쿼럼 기반 합의의 엄밀한 이론적 기초를 확립하기 위해.
• 연합형 쿼럼 시스템에서 비잔티노스 행동 조건 하에 기본 브로드캐스트 추상화의 정당성 분석을 위해.
• 비잔티노스 노드가 자신의 신뢰 관계를 거짓으로 보고할 경우 쿼럼 유효성과 시스템의 안전성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 각 노드가 다른 시각을 가질 수 있는 유효한 쿼럼에 대해 정의된 새로운 비잔티노스 쿼럼 시스템의 유형을 체계화하기 위해.
• 실제 블록체인 설계와 형식적 분산 시스템 이론 간 격차를 메우기 위해.

제안 방법

• 각 노드가 자신이 신뢰하는 피어 집합을 선택하는 신뢰 관계의 연합으로 쿼럼 시스템을 모델링하기 위해.
• 합의의 안전성과 활성화를 보장하기 위해 신뢰가 집합된 노드 집합을 쿼럼 세트로 정의하기 위해.
• 모든 두 쿼럼이 적어도 한 개의 공통 노드를 공유하도록 보장하는 쿼럼 교차성 성질을 도입하기 위해.
• 비잔티노스 노드가 자신의 신뢰 세트를 잘못 보고하더라도 브로드캐스트 프로토콜의 정당성이 유지됨을 증명하기 위해.
• 노드별로 다른 시각을 가질 수 있는 유효한 쿼럼이 존재하는 비잔티노스 쿼럼 시스템의 새로운 유형을 체계화하기 위해.
• 적대적 행동 조건 하에서 안전성과 활성화 성질을 확립하기 위해 형식적 검증 기법을 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스타링크와 리플에서 사용하는 바와 같이, 개방형 멤버십을 가진 탈중앙화 방식으로 쿼럼 시스템을 어떻게 구성할 수 있는가?
• RQ2 비잔티노스 장애 조건 하에서 연합형 쿼럼 시스템의 브로드캐스트 프로토콜에 대해 어떤 형식적 보장을 제공할 수 있는가?
• RQ3 비잔티노스 노드가 자신의 신뢰 관계를 거짓으로 보고할 수 있다는 가정이 쿼럼 유효성과 시스템 정당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 연합형 비잔티노스 쿼럼 시스템과 고전적 비잔티노스 쿼럼 시스템 간의 형식적 관계는 무엇인가?
• RQ5 다른 노드들이 쿼럼을 구성하는 데 있어 서로 다른 시각을 가질 경우에도 일관성 있고 안전한 합의 모델을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 논문은 비잔티노스 노드가 자신의 신뢰 관계를 거짓으로 보고하더라도 연합형 비잔티노스 쿼럼 시스템에서 기본 브로드캐스트 추상화가 정당함을 증명한다.
• 모든 쿼럼 세트 간에 쿼럼 교차성이 유지되어 적대적 행동 조건 하에서도 합의의 안전성이 보장됨을 입증한다.
• 저자들은 유효한 쿼럼이 노드에 따라 다를 수 있는 비잔티노스 쿼럼 시스템의 새로운 유형을 체계화한다.
• 이 모델은 개방형 멤버십과 탈중앙화된 쿼럼 구성 지원을 통해 스타링크와 같은 시스템에서의 실용적 구현 가능성을 제공한다.
• 이론적 프레임워크는 실제 연합형 블록체인 프로토콜에서 안전성과 활성화에 대해 추론할 수 있는 기초를 제공한다.
• 결과적으로 스타링크와 리플의 설계 선택 사항이 비잔티노스 조건 하에서도 형식적으로 타당함을 입증한다.