[논문 리뷰] Gosig: Scalable Byzantine Consensus on Adversarial Wide Area Network for Blockchains

Peilun Li, Guosai Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 05.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 36인용 수 14

한 줄 요약

Gosig는 허가된 블록체인을 위한 확장 가능한 비잔티노스 결함 내성(BFT) 합의 프로토콜로, 암호학적 비밀 리더 선택, 다중 라운드 투표, 게이시 기반 메시지 전파 방식을 조합하여 적대적 네트워크 공격 조건 하에서도 증명 가능한 안전성과 활성화를 달성한다. 140개 노드로 구성된 글로벌 테스트베드에서 초당 4,000笔의 거래를 처리하고 평균 확정 지연 시간이 1분 미만이 되며, 최신 기술 수준의 프로토콜인 HoneyBadgerBFT에 비해 처리량과 지연 시간 모두에서 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

Existing Byzantine fault tolerance (BFT) protocols face significant challenges in the consortium blockchain scenario. On the one hand, we can make little assumptions about the reliability and security of the underlying Internet. On the other hand, the applications on consortium blockchains demand a system as scalable as the Bit-coin but providing much higher performance, as well as provable safety. We present a new BFT protocol, Gosig, that combines crypto-based secret leader selection and multi-round voting in the protocol layer with implementation layer optimizations such as gossip-based message propagation. In particular, Gosig guarantees safety even in a network fully controlled by adversaries, while providing provable liveness with easy-to-achieve network connectivity assumption. On a wide area testbed consisting of 140 Amazon EC2 servers spanning 14 cities on five continents, we show that Gosig can achieve over 4,000 transactions per second with less than 1 minute transaction confirmation time.

연구 동기 및 목표

• 허가된 블록체인 환경에서 적대적 광역 네트워크 조건 하에서도 고성능, 증명 가능한 안전성을 확보하는 데 도전하는 것.
• 기존 BFT 프로토콜이 장기간 리더 노출로 인해 취약한 점을 해결하기 위해 장기적인 리더 노출을 제거하는 것.
• 부분적 동기화 조건 하에서도 활성화를 유지하고, 완전한 적대적 네트워크 제어 조건 하에서도 안전성을 확보하는 프로토콜을 설계하는 것. 이는 수천 개의 노드 환경에서도 가능해야 한다.
• 실제 지리적으로 분산된 환경에서의 실용적 구현을 가능하게 하여 높은 처리량과 낮은 지연 시간을 제공하는 것.

제안 방법

• 적대자가 사전에 리더를 예측하거나 공격할 수 없도록 암호학적 비밀 리더 선택 방식을 사용한다.
• 순서에 의존하지 않는 서명 집합 기반의 다중 라운드 투표 방식을 적용하여 네트워크 오버헤드를 감소시키고 확장성을 향상시킨다.
• 네트워크의 중복성을 활용하여 노드 장애나 지연에 대한 내성을 향상시키기 위해 게이시 기반 메시지 전파 메커니즘을 도입한다.
• 서명 수집 과정과 메시지 전파를 분리하기 위해 이종적 다중 서명 검증 방식을 도입하여 지연 시간을 감소시킨다.
• 부분적 동기화 네트워크 가정에 기반하여 활성화를 증명하면서도, 임의의 네트워크 장애 상황에서도 안전성을 유지한다.
• 처리량과 지연 시간을 균형 잡기 위해 max_block_size와 라운드 시간 T를 구성 가능한 파라미터로 사용하며, 시스템 부하에 따라 적응적으로 조정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적대적 네트워크 제어와 노드 타겟팅이 가능한 광역 네트워크 환경에서 BFT 프로토콜이 증명 가능한 안전성과 활성화를 달성할 수 있는가?
• RQ2 대규모 허가된 블록체인 환경에서 적응형 DDoS 공격에 대비하기 위해 리더 노출을 어떻게 제거할 수 있는가?
• RQ3 프로토콜 계층 기술과 구현 최적화의 조합은 어떤 방식으로 대규모에서 고처리량과 저지연 시간을 가능하게 하는가?
• RQ4 게이시 기반 커뮤니케이션과 서명 집합 기반 방식은 대규모 BFT 합의 환경에서 네트워크 오버헤드를 얼마나 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 지리적으로 분산된 노드와 부분적 네트워크 장애가 발생하는 실제 네트워크 조건 하에서 Gosig는 어떤 성능을 보이는가?

주요 결과

• 140개 노드로 구성된 광역 테스트베드(5개 대륙, 14개 도시)에서 Gosig는 초당 4,000笔의 거래를 처리하고 평균 거래 확정 지연 시간이 1분 미만이 되며, 이는 증명 가능한 성능을 입증한다.
• 노드의 25%가 장애 발생하더라도 Gosig는 초당 3,500笔 이상의 거래를 유지하며 동일한 지연 시간을 확보하여 강력한 장애 내성 능력을 입증한다.
• 100개 노드 환경에서 Gosig는 HoneyBadgerBFT(유사한 안전성 보장을 갖춘 현재 최고 수준의 프로토콜) 대비 처리량을 두 배로 늘리고 지연 시간을 80% 감소시킨다.
• 시뮬레이션을 통해 Gosig는 10,000개 노드까지 확장 가능하며, 현실적인 네트워크 조건 하에서도 낮은 지연 시간과 높은 처리량을 유지한다.
• max_block_size가 4MB를 초과할 경우 처리량이 4,000 TPS에 포화를 이룬다. 이는 현재 대역폭 및 라운드 시간 설정 하에서 시스템 용량의 한계를 나타낸다.
• 140개 노드 시스템에서 40초의 라운드 시간 T가 최대 처리량을 지원하며, 이보다 짧은 T 값(예: 30초 미만)은 설정 오버헤드 증가로 인해 초선형 성능 저하를 유발한다.