[논문 리뷰] In Search for a Linear Byzantine Agreement.

Alexander Spiegelman|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 17.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 22인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 동기 네트워크 조건에서 효율적인 합의를 위해 결정론적 동기 알고리즘을 먼저 사용하고, 비동기 상태로 인해 진행이 방해될 경우에만 무작위 비동기 프로토콜로의 패러다임 전환을 수행하는 낙관적(Byzantine) 합의 프로토콜을 제안한다. 필요할 경우에만 패러다임 전환 비용을 부담함으로써 모든 네트워크 조건에서 최적의 통신 복잡도를 달성하며, 확률 1로 종료 보장을 하면서도 기존 접근 방식에서 유래하는 비동기 상태에서의 무한한 통신 비용을 피한다.

ABSTRACT

The long-standing byzantine agreement problem gets more attention in recent years due to the increasing demand for scalable geo-replicated Byzantine state machine replication (SMR) systems (e.g., Blockchains). To date, the key bottleneck of such systems is the communication cost of the byzantine agreement they employ as a building block, which motivates many researchers to search for low-communication byzantine agreement protocols. The conventional approach is to design deterministic protocols in the eventually synchronous communication model that are optimized to reduce the communication cost after the global stabilization time (GST). In this paper, we challenge the conventional approach and argue it is not the best fit for scalable SMR systems since it might induce an unbounded communication cost during asynchronous periods before GST, which we prove to be inherent. Instead, we forgo eventual synchrony and propose a different approach that hopes for the best (synchrony) but prepares for the worst (asynchrony). Accordingly, we design an optimistic protocol that first tries to reach an agreement via an efficient deterministic algorithm that relies on synchrony for termination, and then, only if an agreement was not reached due to asynchrony, the protocol uses a randomized asynchronous algorithm for fallback that guarantees termination with probability $1$. Although randomized asynchronous algorithms are considered to be costly, we design our solution to pay this cost only when an equivalent cost has already been paid while unsuccessfully trying the synchronous protocol. Moreover, we formally prove that our protocol achieves optimal communication complexity under all network conditions and failure scenarios.

연구 동기 및 목표

• 기존의 비동기 합의 프로토콜에서 발생하는 비동기 기간 동안의 무한한 통신 비용 문제를 해결하여 지리적으로 복제된 SMR 시스템의 확장성에 기여한다.
• 비동기 상태 이후 성능에만 최적화된 결정론적, 일시적 동기 프로토콜의 전통적 설계를 도전한다.
• 효율성을 위해 동기를 가정하지만, 무작위 비동기 백업 메커니즘을 통해 비동기 상태에서도 종료 보장을 하는 프로토콜을 설계한다.
• 모든 장애 상황과 네트워크 조건에서 최적의 통신 복잡도를 달성한다.
• 무작위 백업 메커니즘의 비용이 동기 합의 시도가 실패한 이후에만 발생하도록 보장하여 중복된 통신 오버헤드를 방지한다.

제안 방법

• 네트워크의 동기성에 의존하여 종료 보장을 하는 결정론적 동기 알고리즘을 사용해 합의를 먼저 尝시도하는 낙관적 프로토콜을 설계한다.
• 확률 1로 종료 보장을 보장하는 무작위 비동기 Byzantine 합의 프로토콜 기반의 백업 메커니즘을 도입한다.
• 동기 단계가 비동기 상태로 인해 실패할 경우에만 백업 메커니즘이 활성화되어 더 비싼 무작위 프로토콜의 불필요한 사용을 방지한다.
• 모든 네트워크 조건 하에서 프로토콜의 통신 비용을 공식적으로 분석하여 최적의 복잡도를 입증한다.
• 동기 경로가 이미 실패한 이후에만 무작위 프로토콜의 비용을 지불함으로써 효율성과 내성성을 균형 있게 유지한다.
• 형식적 검증을 통해 프로토콜이 장애 패tern이나 네트워크 행동에 관계없이 최적의 통신 복잡도를 유지함을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비동기 네트워크 조건에서도 최적의 통신 복잡도를 달성할 수 있는 Byzantine 합의 프로토콜이 존재할 수 있는가?
• RQ2 효율성을 위해 동기를 활용하면서도, 불필요한 통신 비용 없이 무작위 비동기 백업으로 유연하게 전환할 수 있는 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ3 기존의 일시적 동기 프로토콜이 GST 이전의 비동기 기간 동안 유발하는 본질적 통신 비용은 무엇이며, 이를 유계로 제한하거나 제거할 수 있는가?
• RQ4 무작위 비동기 백업을 사용할 경우 통신 비용이 증가하는가? 더 스마트한 프로토콜 설계로 이를 피할 수 있는가?
• RQ5 동기 경로가 이미 실패한 이후에만 백업 비용이 발생하도록 프로토콜을 구성할 수 있는가? 이를 통해 비용 효율성을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 프로토콜은 기존의 일시적 동기 프로토콜에서 발생하는 비동기 기간 동안의 무한한 통신 비용을 피한다.
• 모든 네트워크 조건, 즉 동기 및 비동기 단계 모두에서 최적의 통신 복잡도를 달성한다.
• 백업 메커니즘이 동기 단계가 실패할 경우에만 활성화되어, 비용이 반드시 필요한 경우에만 발생함을 보장한다.
• 비동기 상태와 장기적인 Byzantine 장애가 존재하더라도 확률 1로 종료 보장을 한다.
• 백업 메커니즘의 통신 비용이 조기 지불되지 않으며, 동기 합의 시도가 실패한 이후에만 지불된다.
• 형식적 분석을 통해 프로토콜의 통신 복잡도가 모든 장애 상황과 네트워크 행동에 대해 최적임을 확인한다.