[논문 리뷰] (Leader/Randomization/Signature)-free Byzantine Consensus for Consortium Blockchains.

Tyler Crain, Vincent Gramoli외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 10.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 45인용 수 45

한 줄 요약

이 논문은 연합 블록체인을 위한 새로운 바르비시안 합의 알고리즘을 제안하며, 리더, 디지털 서명, 랜덤화에 의존하지 않는다. 유효성 조건을 조건자 기반 결정보조 메커니즘으로 일반화하고, 동시 이진 합의를 통한 시간 최적의 다값 감소를 통해, 최종 동기성 하에서 결정적인 최종 합의를 달성하며, 알려진 바 중 가장 빠른 다값 합의에서 이진 합의로의 감소를 실현한다.

ABSTRACT

This paper presents a new Byzantine consensus algorithm targeting consortium blockchains. To this end, it first revisits the consensus validity property by requiring that the decided value satisfies a predefined predicate, which does not systematically exclude a value proposed only by Byzantine processes, thereby generalizing the validity properties found in the literature. Then, the paper presents a simple and modular Byzantine consensus algorithm that relies neither on a leader, nor on signatures, nor on randomization. It features the fastest multivalued reduction to binary consensus we know of and a time optimal binary Byzantine consensus algorithm. The multivalued reduction runs multiple instances of binary consensus concurrently, which result in a bitmask that is then applied to a vector of multivalued proposals to filter out a valid proposed value that is decided. To ensure eventual decision deterministically, the underlying binary consensus algorithm assumes eventual synchrony.

연구 동기 및 목표

• 기존 바르비시안 합의 프로토콜이 연합 블록체인 환경에서 리더, 서명, 또는 랜덤화에 의존하는 한계를 해결하기 위해.
• 결정된 값이 사전 정의된 조건자(예: predicate)를 만족하도록 함으로써 유효성 속성을 일반화하여, 바르비시안 프로세스가만이 제안한 값도 특정 조건 하에서 고려할 수 있도록 하기 위해.
• 다값 합의를 최소한의 오버헤드로 이진 합의로 감소시키는 모듈러이고 효율적인 합의 알고리즘을 설계하기 위해.
• 최종 동기성 하에서 시간 최적의 이진 바르비시안 합의를 달성하여, 랜덤화나 조율 없이 결정적인 합의를 보장하기 위해.
• 허가된 블록체인 환경에 맞게 실용적이고 효율적이며 조합 가능한 합의 솔루션을 제공하기 위해.

제안 방법

• 결정된 값이 비정상적이지 않은 프로세스가 제안한 값이 아님을 요구하는 것이 아니라, 사용자가 정의한 조건자를 만족하는 값이면 된다는 점에서 합의 유효성의 일반화를 시도한다.
• 다값 합의 감소를 위해 병렬로 여러 개의 이진 합의 인스턴스를 실행하여 유효한 제안을 나타내는 비트맵을 생성한다.
• 비트맵을 다값 제안의 벡터에 적용하여 결정을 위한 단일 유효한 값을 선택함으로써, 리더나 서명 오버헤드 없이 효율적인 필터링을 가능하게 한다.
• 기초가 되는 이진 합의 프로토콜은 시간 최적이며, 최종 동기성 조건을 가정하여 결정의 결정적 종료를 보장한다.
• 랜덤화나 리더 선출을 피하기 위해, 장애 가정 하에서도 안전성과 활성화를 보장하는 모듈러이고 조합 가능한 아키텍처를 활용한다.
• 다값 합의와 이진 합의 컴포넌트 간의 명확한 분리로 단순하고 공식적으로 조합 가능한 설계를 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연합 블록체인 환경에서 리더, 디지털 서명, 또는 랜덤화 메커니즘에 의존하지 않고 바르비시안 합의를 달성할 수 있는가?
• RQ2 어떻게 합의의 유효성 속성을 일반화하여, 특정 조건 하에서 바르비시안 프로세스가만이 제안한 값에 대해서도 결정을 내릴 수 있도록 할 수 있는가?
• RQ3 최적성을 유지하면서 다값 바르비시안 합의를 이진 합의로 감소시키기 위해 필요한 최소 오버헤드는 무엇인가?
• RQ4 최종 동기성 하에서 리더나 서명 의존 없이 시간 최적의 이진 바르비시안 합의를 달성할 수 있는가?
• RQ5 허가된 블록체인 환경에서 안전성과 활성화를 보장하는 모듈러이고 조합 가능한 합의 설계는 어떻게 구성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 알려진 바 중 가장 빠른 다값 합의에서 이진 합의로의 감소를 실현하여, 통신 및 시간 오버헤드를 최소화한다.
• 최종 동기성 하에서 시간 최적의 이진 바르비시안 합의 프로토콜을 제공하며, 결정 시간에 대해 이론적 하한선을 정확히 따르고 있다.
• 랜덤화나 리더 선출 없이 결정적인 합의를 보장하여 예측 가능성과 보안성을 향상시킨다.
• 조건자 기반 유효성 일반화를 통해 값 선택의 유연성을 높이며, 조건자가 만족될 경우 바르비시안 프로세스가만이 제안한 값도 고려할 수 있다.
• 서명과 리더 역할의 부재로 프로토콜의 복잡도와 공격 범위가 감소하여, 연합 환경에서의 효율성과 조합 가능성이 향상된다.
• 모듈러 설계 덕분에 기초가 되는 이진 합의 프로토콜을 다양한 다값 합의 응용 분야에서 재사용할 수 있다.