[논문 리뷰] Hierarchical Consensus: Scalability Through Optimism and Weak Liveness

Antonino, Pedro, Durand, Antoine외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 18.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 37인용 수 9

한 줄 요약

Ditto는 정상(행복) 조건에서 최적의 선형 통신 복잡도와 이면성 상태에서 최적의 이차 복잡도를 달성하는 비잔틴 상태 기반 복제 프로토콜이다. 네트워크 장애 및 DDoS 공격 상황에서도 라이브니스를 보장하며, HotStuff의 패이스메이커를 이면성 후속 조치로 대체하여 효율적이고 강력한 모드 간 유연하고 저비용 전환을 가능하게 하며, 실질적으로 HotStuff와 VABA를 모두 능가한다.

ABSTRACT

Existing committee-based Byzantine state machine replication (SMR) protocols, typically deployed in production blockchains, face a clear trade-off: (1) they either achieve linear communication cost in the happy path, but sacrifice liveness during periods of asynchrony, or (2) they are robust (progress with probability one) but pay quadratic communication cost. We believe this trade-off is unwarranted since existing linear protocols still have asymptotic quadratic cost in the worst case. We design Ditto, a Byzantine SMR protocol that enjoys the best of both worlds: optimal communication on and off the happy path (linear and quadratic, respectively) and progress guarantee under asynchrony and DDoS attacks. We achieve this by replacing the view-synchronization of partially synchronous protocols with an asynchronous fallback mechanism at no extra asymptotic cost. Specifically, we start from HotStuff, a state-of-the-art linear protocol, and gradually build Ditto. As a separate contribution and an intermediate step, we design a 2-chain version of HotStuff, Jolteon, which leverages a quadratic view-change mechanism to reduce the latency of the standard 3-chain HotStuff. We implement and experimentally evaluate all our systems. Notably, Jolteon's commit latency outperforms HotStuff by 200-300ms with varying system size. Additionally, Ditto adapts to the network and provides better performance than Jolteon under faulty conditions and better performance than VABA (a state-of-the-art asynchronous protocol) under faultless conditions. This proves our case that breaking the robustness-efficiency trade-off is in the realm of practicality.

연구 동기 및 목표

• BFT 합의 프로토콜에서 효율성과 강력성 간의 상충 관계를 제거하기 위해.
• 좋은 조건에서는 선형 통신 비용을 유지하고, 이면성 상태에서는 이차 비용을 유지하는 실용적인 프로토콜을 설계하기 위해.
• 이면성과 DDoS 공격 상황에서도 성능을 희생시키지 않고도 라이브니스를 확보하기 위해.
• 선형 통신 프로토콜에 이면성 후속 조치를 통합하여 추가적인 점근적 비용 없이 통합하기 위해.
• 리더 기반 프로토콜에서 블록 커밋 지연 시간을 개선하면서도 강력성을 유지하기 위해.

제안 방법

• HotStuff에 이면성 후속 조치 메커니즘을 확장하여 이중적인 패이스메이커를 대체함으로써, 이면성 상태에서도 라이브니스를 확보함.
• Jolteon은 HotStuff의 2체인 변형으로, 이차 뷰 변경 메커니즘을 사용하여 블록 커밋 지연 시간을 30% 감소시킴.
• 파이프라인 설계를 통해 정상 및 장애 조건 모두에서 높은 처리량과 낮은 지연 시간을 유지함.
• 안전성과 진위 확인을 위해 임계값 서명과 인증된 메시지 교환을 활용함.
• 이면성 상태에서도 진행을 보장하기 위해 예상 지연 시간 R인 다중값 이진 합의(MVBA) 프로토콜을 후속 조치로 사용함.
• 추가 라운드나 통신 비용 없이도 빠른(동기화) 및 강력한(이면성) 경로 간 무중단 전환을 가능하게 하는 하이브리드 합의 메커니즘 설계함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BFT 합의 프로토콜이 정상 상태와 이면성 상태 모두에서 성능을 희생시키지 않고도 최적의 통신 복잡도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 선형 통신 프로토콜에 이면성 후속 조치를 추가로 통합할 수 있으며, 이로 인한 점근적 비용 증가 없이 통합할 수 있는가?
• RQ3 리더 기반 프로토콜에서 블록 커밋 지연 시간을 줄일 수 있는가? 이때 리더 장애 및 네트워크 장애에 대한 강력성은 유지되어야 한다.
• RQ4 하이브리드 합의 프로토콜이 장애 없는 네트워크와 장애 발생 네트워크 조건에서 모두 최신 기술의 선형 및 이면성 프로토콜을 능가할 수 있는가?
• RQ5 생산 수준의 합의 시스템에서 패이스메이커를 이면성 후속 조치로 교체할 경우 실질적인 성능 영향은 무엇인가?

주요 결과

• Ditto는 행복 경로에서는 선형 통신 비용을, 이면성 상태에서는 이차 비용을 달성하여 이론적 최적값을 충족함.
• Jolteon은 다양한 시스템 크기에서 HotStuff 대비 블록 커밋 지연 시간을 200–300ms 감소시킴.
• 장애 없는 조건에서 Ditto는 Jolteon의 성능을 그대로 유지하며, VABA 대비 처리량에서 50% 높은 성능 기록.
• 리더 DoS 공격 상황에서 Ditto는 HotStuff와 Jolteon보다 30–50% 높은 처리량 유지하며, 이 둘은 성능이 0으로 떨어짐.
• 최악의 경우(이면성 상태) Ditto의 예상 지연 시간은 13.5라운드이며, 9.5라운드의 MVBA 후속 조치를 통해 BDT의 45라운드 후속 조치를 능가함.
• 구현 결과 Ditto가 추가적인 라운드나 통신 비용 없이도 모드 간 원활하고 저비용 전환을 가능하게 함.