[논문 리뷰] From Symmetric to Asymmetric Asynchronous Byzantine Consensus

Christian Cachin, Luca Zanolini|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 18.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 22인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 Mostefaoui 등이 (PODC 2014) 제안한 랜드마크 대칭 프로토콜을 확장하여, 비대칭 신뢰 환경에서 최적의 비동기 Byzantine 합의 프로토콜을 처음으로 제안한다. 이는 원래 프로토콜의 미묘한 라이브니스 결함을 수정하면서도 단순성을 유지한다. 비대칭 쿼orum 시스템과 공통 동전 원리(primitive)를 도입하여 동적이고 주관적인 신뢰 환경에서 일정한 기대 실행 시간과 최적의 내성성을 달성한다. 블록체인 시스템에 적합하다.

ABSTRACT

Consensus is arguably one of the most important notions in distributed computing. Among asynchronous, randomized, and signature-free implementations, the protocols of Mostéfaoui et al. (PODC 2014 and JACM 2015) represent a landmark result, which has been extended later and taken up in practical systems. The protocols achieve optimal resilience and takes, in expectation, only a constant expected number of rounds of quadratic message complexity. Randomization is provided through a common-coin primitive. In traditional consensus protocols, all involved processes adhere to a global, symmetric failure model, typically only defined by bounds on the number of faulty processes. Motivated by applications to blockchains, however, more flexible trust assumptions have recently been considered. In particular, with asymmetric trust, a process is free to choose which other processes it trusts and which ones might collude against it. This paper revisits the optimal asynchronous protocol of Mostéfaoui et al. and shows how to realize it with asymmetric trust. The paper starts by pointing out in detail why some versions of this protocol may violate liveness. Then it proposes a fix for the protocol that does not affect its properties, but lets it regain the simplicity of its original version (PODC 2014). At the same time, the paper shows how to realize randomized signature-free asynchronous Byzantine consensus with asymmetric quorums. This results in an optimal consensus protocol with subjective, asymmetric trust and constant expected running time. It is suitable for applications to blockchains, for instance.

연구 동기 및 목표

• Mostefaoui 등 (PODC 2014)의 원래 대칭 합의 프로토콜에서 발생하는 라이브니스 취약점을 해결함으로써, 악성 대상이 메시지 순서를 제어함으로써 진행을 차단할 수 있는 상황을 방지한다.
• 기존 최적의 랜덤화된 서명 불필요 합의 프로토콜을 확장하여, 각 프로세스가 자체적으로 신뢰할 수 있는 피어를 선택하는 비대칭 신뢰 모델을 지원하도록 한다.
• 비대칭 쿼orum 시스템 하에서 일정한 기대 실행 시간과 최적의 내성성을 유지하는 합의 프로토콜을 체계적으로 정의하고 구현한다.
• 비대칭 신뢰 환경에서 종료성과 일관성을 보장하기 위해 최대 지혜의 단체(guild)가 존재하는 조건을 설정한다.

제안 방법

• Mostefaoui 등 (PODC 2014)의 원래 프로토콜을 재검토하고, 악성 메시지 순서에 의해 발생하는 라이브니스 위반을 특정한다.
• 원래 프로토콜의 단순성과 효율성을 유지하면서도, 악성 조건 하에서도 라이브니스를 보장하는 수정 방안을 제안한다.
• 주관적인 신뢰 모델에서 랜덤화를 가능하게 하는 비대칭 공통 동전 원리(primitive)를 도입한다.
• 비대칭 이진 검증 전파(abv-broadcast)를 활용하여 지혜의 프로세스 간에 합의와 타당성을 보장한다.
• ‘최대 지혜의 단체’—핵심을 형성하고 종료성을 보장하는 지혜의 프로세스 부분집합—개념을 정의하고 활용한다.
• 쿼럼 교차 성질과 B3 조건을 사용하여 비대칭 쿼럼 시스템에서의 일관성과 종료성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mostefaoui 등 (PODC 2014)의 원래 합의 프로토콜에서 발생하는 라이브니스 결함을 단순성 또는 효율성 손실 없이 체계적으로 진단하고 해결할 수 있는가?
• RQ2 최적의 대칭 합의 프로토콜을 비대칭 신뢰 모델로 확장할 수 있는가? 여기서 각 프로세스는 자체 신뢰 쿼럼을 선택한다.
• RQ3 비대칭 Byzantine 쿼럼 시스템에서 종료성을 보장하기 위해 필요한 구조적 조건—예를 들어 ‘지혜의 단체’ 존재—는 무엇인가?
• RQ4 공통 동전 원리(primitive)를 비대칭 신뢰 모델에 적응시켜 일정한 기대 실행 시간과 확률적 종료성을 보장할 수 있는가?

주요 결과

• 원래 Mostefaoui 등 (PODC 2014)의 프로토콜은 메시지 순서 제어를 통해 악성 대상이 진행을 차단할 수 있는 라이브니스 결함을 악용할 수 있다. 이는 고정된 수의 프로세스 장애가 발생하더라도 여전히 발생할 수 있다.
• 원래 프로토콜의 단순성과 이차 메시지 복잡도를 유지하면서도 라이브니스를 복원하는 수정 방안을 제안하여 실용적 구현에 적합하다.
• 이 논문은 비대칭 신뢰 환경에서 최초로 최적의 비동기 Byzantine 합의 프로토콜을 구성하여 일정한 기대 실행 시간과 최적의 내성성을 달성한다.
• 공통 동전 추상화와 지혜의 프로세스 최대 단체의 존재에 기반하여, 확률적 종료성(확률 1)을 보장한다.
• 지혜의 프로세스 최대 단체가 종료성에 대해 필수적이고 충분한 조건이며, 장애 발생 가능 시스템에서 B3 조건을 만족할 경우 이러한 단체가 존재한다.
• 모든 지혜의 프로세스는 동일한 값을 abv-전달하고 확률 1로 동일한 값을 결정함으로써 일관성과 합의를 보장한다.