[논문 리뷰] Impact of network delays on Hyperledger Fabric

Thanh Son Lam Nguyen, Guillaume Jourjon외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 21.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 6인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 PBFT 합의를 사용하는 권한 있는 블록체인인 Hyperledger Fabric에서 네트워크 지연의 영향을 평가한다. 프랑스와 독일의 지리적으로 떨어진 클라우드 환경에 시스템을 구축하고 최대 3.5초까지 제어된 지연을 적용함으로써, 블록 전파 지연이 심각한 레지스트리 비동기화를 유발함을 입증한다—100번째 블록에서 134초의 오프셋이 발생하여 은행과 같은 핵심 응용 프로그램에 적합하지 않다. 이는 일致성 보장이 부족하기 때문이다.

ABSTRACT

Blockchain has become one of the most attractive technologies for applications, with a large range of deployments such as production, economy, or banking. Under the hood, Blockchain technology is a type of distributed database that supports untrusted parties. In this paper we focus Hyperledger Fabric, the first blockchain in the market tailored for a private environment, allowing businesses to create a permissioned network. Hyperledger Fabric implements a PBFT consensus in order to maintain a non forking blockchain at the application level. We deployed this framework over an area network between France and Germany in order to evaluate its performance when potentially large network delays are observed. Overall we found that when network delay increases significantly (i.e. up to 3.5 seconds at network layer between two clouds), we observed that the blocks added to our blockchain had up to 134 seconds offset after 100 th block from one cloud to another. Thus by delaying block propagation, we demonstrated that Hyperledger Fabric does not provide sufficient consistency guaranties to be deployed in critical environments. Our work, is the fist to evidence the negative impact of network delays on a PBFT-based blockchain.

연구 동기 및 목표

• PBFT 기반의 권한 있는 블록체인인 Hyperledger Fabric의 일관성과 성능에 네트워크 지연이 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 매우 큰 전송 지연이 존재하는 현실적인 네트워크 조건에서 Hyperledger Fabric이 강력한 일관성 보장을 유지하는지 평가하기 위해.
• 특히 블록 전파와 합의 조율에서 지연이 임계값을 초과할 경우 시스템 아키텍처의 실패 지점들을 특정하기 위해.
• 특히 장거리 클라우드 영역 간 배포에서 고지연 조건 하에서의 시스템 내성 평가하기 위해.
• 현재 버전의 Hyperledger Fabric이 저지연, 고일관성 핵심 응용 프로그램(예: 금융 거래 또는 실시간 정산 시스템)에 적합하지 않음을 경험적으로 입증하기 위해.

제안 방법

• 장거리 네트워크 조건을 시뮬레이션하기 위해 프랑스(Sorbonne University)와 독일(Heldeiberg University)의 두 클라우드 환경에 Hyperledger Fabric을 배포하였다.
• 트래픽 제어 도구(tc 등)를 사용하여 최대 3.5초의 전송 지연을 시뮬레이션하기 위해 제어된 네트워크 지연을 도입하였다.
• 양측의 피어에서 블록 타임스탬프를 추적하여 블록 전파 시간과 레지스트리 동기화 오프셋을 측정하였다.
• 네트워크 분석 도구인 Wireshark를 사용하여 지연이 증가함에 따라 버퍼 오버플로우 및 피어 연결 끊김 이벤트를 포함한 시스템 동작을 모니터링하였다.
• 최대 30,000笔의 거래로 증가하는 거래 부하를 적용하여 고부하 조건에서의 성능 저하와 오프셋 증가를 평가하기 위한 실험을 수행하였다.
• 특히 피어가 다음 블록 수신 이전에 수신 확인 신호를 보냄으로써 지연이 악화되는 피드백 루프를 포함한 오더러와 피어 간의 통신 패턴을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네트워크 지연은 PBFT 기반 합의를 사용하는 Hyperledger Fabric의 블록 전파 및 레지스트리 동기화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 Hyperledger Fabric가 심각한 비동기화 또는 시스템 장애를 경험하기 전까지 견딜 수 있는 최대 네트워크 지연은 얼마인가?
• RQ3 네트워크 지연이 3.5초를 초과할 경우(예: 3.58초), 특히 피어 연결 끊김 및 합의 정지 측면에서 시스템 동작은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 오더러의 버퍼 크기가 고지연 환경에서 전파 지연의 누적에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 실제 네트워크 지연이 존재하는 장거리 배포 환경에서 Hyperledger Fabric은 강력한 일관성 보장을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 3.5초의 네트워크 지연 조건에서, 100번째 블록은 프랑스와 독일 피어 간에 134초의 오프셋을 보이며 심각한 비동기화가 발생함을 나타낸다.
• 3.5초 지연에서 첫 번째 블록에 대해 128초, 100번째 블록에 대해 134초의 오프셋이 발생하여 지연이 지수적으로 증가하는 것을 입증한다.
• 네트워크 지연이 3.5초를 초과할 경우(예: 3.58초), Docker 스웜에서 소르본 노드가 연결 끊김 상태로 감지되어 시스템 전체 장애가 발생하였다.
• 시스템 장애의 원인은 피드백 메커니즘으로 밝혀졌다: 피어는 오더러에게 수신 확인 신호를 보내며, 이는 다음 블록 전송을 동일한 왕복 시간만큼 지연시켜 지연을 악화시킨다.
• 30,000건의 거래와 3.5초의 지연 조건에서 오프셋은 1시간 10분이 초과하여 증가하였으며, 이는 고거래량이 비동기화를 악화시킨다는 것을 보여준다.
• 오더러의 버퍼 크기가 지연 누적의 핵심 요인으로 특정되었으며, 버퍼가 포화 상태에 도달하면 오더러가 멈추어 전체 시스템이 정지하게 되었다.