[논문 리뷰] Fever: Optimal Responsive View Synchronisation

Maofan Yin, Dahlia Malkhi외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 13.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 52인용 수 110

한 줄 요약

HotStuff는 부분적으로 동기 모델에서 선도자 시점 전환 시 선형 통신 복잡도와 유예 반응성을 달성하는 새로운 비잔티노스 결함 내성(BFT) 복제 프로토콜을 제안한다. 삼단계 합의 메커니즘을 도입함으로써, 새로운 선도자가 오직 O(n)의 인증자와 최소한의 지연 시간만으로 합의를 이끌 수 있게 되어, PBFT와 BFT-SMaRt와 같은 이중단계 프로토콜보다 확장성과 효율성에서 뛰어나면서도 낮은 지연 시간과 높은 처리량을 유지한다.

ABSTRACT

Byzantine Agreement (BA) is a key component in many distributed systems. While Dolev and Reischuk have proven a long time ago that quadratic communication complexity is necessary for worst-case runs, the question of what can be done in practically common runs with fewer failures remained open. In this paper we present the first Byzantine Broadcast algorithm with O(n(f+1)) communication complexity in a model with resilience of n = 2t+1, where 0 ≤ f ≤ t is the actual number of process failures in a run. And for BA with strong unanimity, we present the first optimal-resilience algorithm that has linear communication complexity in the failure-free case and a quadratic cost otherwise.

연구 동기 및 목표

• PBFT와 BFT-SMaRt와 같은 이중단계 프로토콜에서 선도자 시점 전환 시 발생하는 O(n³)의 통신 비용으로 인한 기존 BFT 복제 프로토콜의 확장성 한계를 해결한다.
• 부분적으로 동기 네트워크에서 반응형 합의를 가능하게 하여, 정상적인 선도자가 실제 네트워크 지연 시간 비례로 합의를 이끌 수 있도록 한다. 이는 최악의 경우 상한선 ∆에 의존하지 않는다.
• 고전적인 BFT 프로토콜(DLS, PBFT, Tendermint, Casper)과 HotStuff를 모두 포함하는 통일된 프레임워크를 설계하여, 공통의 그래프 기반 투표 및 커밋 구조로 표현한다.
• 시점 전환 시 복잡한 선도자 증명이 필요 없도록 하여 선도자 교체를 단순화함으로써, 통신 및 암호학적 오버헤드를 모두 감소시킨다.
• 성능에 손해를 입히지 않으면서도, 블록체인 응용 프로그램에서 체인 품질을 향상시키기 위해 빈번한 선도자 전환을 지원한다.

제안 방법

• 준비, 준비, 승인의 삼단계 합의 프로토콜을 도입하여, 투표 후 투표를 변경할 수 있도록 하여 선도자 교체를 간단하게 한다.
• 투표 및 커밋 규칙을 그래프 기반 모델로 표현하며, 안전성은 투표 및 커밋 그래프 규칙에 의해 보장하고, 활성화는 그래프를 연장하는 Pacemaker 구성 요소에 의해 보장한다.
• 새로운 선도자가 자신의 지식에서 가장 높은 알려진 쿠롬 증명(QC)을 선택할 수 있도록 하여, (n−f)개의 레플리카로부터 QC를 수거하고 전달할 필요가 없게 한다.
• 각 시점 전환에 대해 O(n)의 인증자만 필요로 하는 선도자 교체 프로토콜을 구현하며, 선도자가 안정적일지라도 그렇지 않을지라도 영향을 받지 않는다.
• 다중 시점을 동시에 처리할 수 있도록 허용하는 파ип라인 실행 모델을 도입하여 처리량을 향상시킨다.
• 암호학적 오버헤드를 줄이기 위해 임계값 서명 기반 기법(또는 프로토타입에서는 secp256k1 서명 목록)을 사용하며, 향후 빠른 임계값 서명 기술도 지원할 계획이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BFT 복제 프로토콜이 부분적으로 동기 모델에서 선도자 시점 전환 시 선형 통신 복잡도와 유예 반응성을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ2 대규모 레플리카 수를 가진 BFT 시스템에서 안전성과 활성화를 훼손하지 않고 선도자 교체를 어떻게 단순화할 수 있는가?
• RQ3 다양한 BFT 프로토콜(고전적인 PBFT와 현대적인 블록체인 프로토콜인 Tendermint, Casper 포함)을 하나의 형식론으로 통합적으로 표현할 수 있는가?
• RQ4 합의에 세 번째 단계를 추가했을 때의 성능 영향은 무엇이며, 이는 이중단계 프로토콜 대비 더 나은 확장성과 낮은 지연 시간을 가능하게 하는가?
• RQ5 성능 저하 없이 빈번한 선도자 전환을 얼마나 잘 지원할 수 있으며, 이는 시스템의 내성력과 체인 품질에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• HotStuff는 선형 시점 전환 복잡도를 달성한다: 선도자 안정성 여부에 관계없이 시점 전환당 오직 O(n)의 인증자가 전송되며, BFT-SMaRt의 O(n³)에서 HotStuff의 O(n)로 통신 비용이 감소한다.
• HotStuff는 유예 반응성을 달성한다: 정상적인 선도자는 첫 (n−f)개 응답만 수신한 후 실제 네트워크 지연 시간 비례로 합의를 이끌 수 있으며, 최악의 경우 상한선 ∆에 의존하지 않는다.
• 100개 이상의 레플리카 환경에서 HotStuff는 BFT-SMaRt와 유사한 처리량과 지연 시간을 달성했지만, 시점 전환 시 통신 오버헤드가 크게 감소했다.
• 128바이트 및 1024바이트 페이로드 환경에서 HotStuff는 BFT-SMaRt보다 처리량과 지연 시간 모두에서 뛰어난 성능을 보였다. 이는 제곱형 대역폭 비용을 피했기 때문이다.
• 네트워크 지연 실험(5ms ± 0.5ms 및 10ms ± 1.0ms)에서 HotStuff는 처리량과 지연 시간 모두에서 BFT-SMaRt를 일관되게 뛰어넘었으며, 변동하는 지연에 대한 강건성을 입증했다.
• 프로토타입 구현을 통해 HotStuff는 시점 전환 시 추가적인 인증자가 발생하지 않음을 확인했으며, 반면 BFT-SMaRt는 시점 전환당 O(n³)의 MAC과 O(n²)의 서명을 발생시킨다.