[논문 리뷰] Leaderless Byzantine Fault Tolerant Consensus.

Jianyu Niu, Chen Feng|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 03.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 20인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 리더 없는 비잔티노스 장애 내성 합의 프로토콜인 LBFT를 제안한다. 이 프로토콜은 뷰 동기화와 리더 조율을 제거하고, 노드들이 자율적으로 블록을 제안할 수 있도록 함으로써 이를 실현한다. 체인 구조, 파이프라인, 고도화된 암호 기법을 활용하여, 리더 기반 프로토콜에 비해 구현의 단순성이 크게 향상된 O(n) 또는 O(n log n) 메시지 복잡도를 달성한다.

ABSTRACT

Byzantine fault tolerant (BFT) consensus has recently gained much attention because of its intriguing connection with blockchains. Several state-of-the-art BFT consensus protocols have been proposed in the age of blockchains such as Tendermint [5], Pala [9], Streamlet [8], HotStuff [23], and Fast-HotStuff [17]. These protocols are all leader-based (i.e., protocols run in a series of views, and each view has a delegated node called the leader to coordinate all consensus decisions). To make progress, leader-based BFT protocols usually rely on view synchronization, which is an ad-hoc way of rotating the leader and synchronizing nodes to the same view with the leader for enough overlap time. However, many studies and system implementations show that existing methods of view synchronization are complicated and bug-prone [2], [15], [16], [19]. In this paper, we aim to design a leaderless Byzantine fault tolerant (LBFT) protocol, in which nodes simply compete to propose blocks (containing a batch of clients' requests) without the need of explicit coordination through view synchronization. LBFT also enjoys several other desirable features emphasized recently by the research community, such as the chain structure, pipelining techniques, and advanced cryptography [5], [6], [9], [17], [23]. With these efforts, LBFT can achieve both good performance (e.g., O(n)or O(nlog(n)) message complexity) and prominent simplicity.

연구 동기 및 목표

• 기존 리더 기반 BFT 프로토콜에서 뷰 동기화 메커니즘의 복잡성과 버그 발생 가능성 문제를 해결한다.
• 지정된 리더나 명시적 뷰 조율 없이도 작동하는 비잔티노스 장애 내성 합의 프로토콜을 설계한다.
• 낮은 메시지 복잡도를 유지하면서도 높은 성능을 달성하면서도 프로토콜의 단순성을 유지한다.
• 파이프라인 및 체인 구조와 같은 현대 암호 기법과 구조적 최적화를 통합하여 효율성을 높인다.

제안 방법

• 리더 기반 조율을 리더 없는 모델로 대체하여, 뷰 동기화 없이도 노드들이 자율적으로 블록을 제안할 수 있도록 한다.
• 블록을 조직화하고 네트워크 전반에서 일관성을 확보하기 위해 체인 기반 구조를 사용한다.
• 여러 합의 라운드를 동시에 처리할 수 있도록 파이프라인 기법을 적용하여 처리량을 향상시킨다.
• 중앙 조율자에 의존하지 않고도 제안의 진위성과 무결성을 보장하기 위해 고도화된 암호 기법을 활용한다.
• 리더 교체나 뷰 전환의 필요 없이 경쟁적 블록 제안과 검증을 통해 진전을 이루도록 프로토콜를 설계한다.
• 통신 패턴을 최적화하고 중복 메시지 교환을 줄여 메시지 복잡도를 O(n) 또는 O(n log n)로 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리더 기반 대비 리더 없는 BFT 합의 프로토콜은 높은 성능과 높은 구현 단순성을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ2 비잔티노스 장애가 존재하는 상황에서도 뷰 동기화 오버헤드를 제거하면서도 생존성과 안전성을 유지할 수 있는가?
• RQ3 파이프라인과 체인 구조는 리더 없는 BFT 프로토콜에서 메시지 복잡도를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 고도화된 암호 기법은 조율 없이도 리더 없는 설계에서 효과적으로 보안을 확보하는 데 기여할 수 있는가?

주요 결과

• LBFT는 뷰 동기화의 필요성을 제거하여 프로토콜의 복잡도와 고장 가능성 요소를 크게 감소시켰다.
• 프로토콜는 O(n) 또는 O(n log n) 메시지 복잡도를 달성하여 최신 리더 기반 프로토콜의 효율성과 동일하거나 이를 초월한다.
• 리더 역할을 제거함으로써 장애 내성과 리더 관련 공격 또는 장애에 대한 복원력을 향상시켰다.
• 체인 구조와 파이프라인 통합을 통해 조율 오버헤드 없이도 효율적인 블록 처리와 높은 처리량을 달성할 수 있었다.
• 강력한 보안 보장을 확보하면서도 실용적인 성능을 보이며, 리더 없는 설계가 BFT 합의에 대해 실현 가능함을 입증했다.