[논문 리뷰] LinBFT: Linear-Communication Byzantine Fault Tolerance for Public Blockchains

Yin Yang|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 05.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 18인용 수 20

한 줄 요약

LinBFT는 공개 블록체인을 위한 새로운 비잔티노스 결함 내성 프로토콜로, 선형 뷰 전환, 임계값 서명, 검증 가능한 난수 함수를 통해 블록당 평균 O(n)의 통신 복잡도를 달성한다. 이와 동시에 결정론적 안전성과 생존성을 유지한다. 이는 이러한 보장을 갖춘 첫 번째 O(n) BFT 프로토콜이며, 참가자가 동적으로 변화하는 환경, 스테이킹 기반 증명, 제재 조치를 수반하는 허가 없는 환경에 특별히 설계되었다.

ABSTRACT

This paper presents LinBFT, a novel Byzantine fault tolerance (BFT) protocol for blockchain systems that achieves amortized O(n) communication volume per block under reasonable conditions (where n is the number of participants), while satisfying determinist guarantees on safety and liveness. This significantly improves previous results, which either incurs quadratic communication complexity, or only satisfies safety in a probabilistic sense. LinBFT is based on the popular PBFT protocol, and cuts down its $O(n^4)$ complexity with three tricks, each by $O(n)$: linear view change, threshold signatures, and verifiable random functions. All three are known, i.e., the solutions are right in front of our eyes, and yet LinBFT is the first $O(n)$ solution with deterministic security guarantees. Further, LinBFT also addresses issues that are specific to permission-less, public blockchain systems, such as anonymous participants without a public-key infrastructure, proof-of-stake with slashing, rotating leader, and a dynamic participant set. In addition, LinBFT contains no proof-of-work module, reaches consensus for every block, and tolerates changing honesty of the participants for different blocks.

연구 동기 및 목표

• 기존 BFT 프로토콜이 공개 블록체인에서 통신 오버헤드가 높아 제곱 또는 그 이상으로 증가하는 문제를 해결하기 위해.
• 선형 통신 복잡도를 달성하면서도 결정론적 안전성과 생존성을 유지하는 BFT 프로토콜을 설계하기 위해.
• 동적 참가자 집합, 스테이킹 기반 증명과 제재 조치, 라운드 기반 리더 전환, 공개 키 기반 인프라 없이도 동작하는 익명 참가자 지원 등의 실용적인 공개 블록체인 기능을 지원하기 위해.
• 합의가 매 블록마다 확보되도록 하면서도 작업 증명에 의존하지 않도록 하기 위해.

제안 방법

• PBFT 프로토콜을 세 가지 핵심 최적화 기법을 적용해 변형: 선형 뷰 전환, 임계값 서명, 검증 가능한 난수 함수로 각각 복잡도를 O(n) 감소.
• 임계값 서명을 활용해 사전 준비 및 사전 커밋 메시지를 집계함으로써 서명 수를 O(n²)에서 O(n)으로 감소.
• 검증 가능한 난수 함수(VRF)를 사용해 신뢰할 수 없는 설정이 필요 없고, 콜라주를 방지하며 공정한 리더 선택 메커니즘을 제공.
• VRF 출력 기반의 리더 전환 메커니즘을 도입해 장기적인 리더 지배를 방지하고, 시스템의 복원력을 향상.
• 공개 키 기반 인프라에 의존하지 않고 암호학적 기여 및 VRF를 활용해 익명 참가자를 지원함.
• 검증 가능하고 임계값 기반의 합의 프로세스를 통해 신규 참가자가 참여하거나 기존 참가자가 퇴출되는 동적 참가자 집합을 지원.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공개 블록체인을 위한 BFT 프로토콜이 결정론적 안전성과 생존성을 유지하면서도 O(n)의 통신 복잡도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 임계값 서명과 검증 가능한 난수 함수를 어떻게 조합하여 BFT 합의의 통신 오버헤드를 줄일 수 있는가?
• RQ3 보안성이나 효율성을 훼손하지 않으면서도 리더 전환과 동적 참가자 집합을 BFT 프로토콜에서 어떻게 지원할 수 있는가?
• RQ4 작업 증명에 의존하지 않으면서도 허가 없는 환경에서 매 블록마다 합의가 이루어지도록 BFT 프로토콜를 설계할 수 있는가?
• RQ5 공개 키 기반 인프라에 의존하지 않고도 익명 참가자를 안전하게 BFT 합의 프로토콜에 통합할 수 있는가?

주요 결과

• LinBFT는 블록당 평균 O(n)의 통신 복잡도를 달성하여 PBFT의 O(n⁴) 복잡도에 비해 상당한 향상이 이루어졌다.
• 기존의 O(n) 솔루션들이 확률적 보장을 기반으로 하는 것과 달리, 이 프로토콜는 결정론적 안전성과 생존성을 유지한다.
• 임계값 서명은 필요한 서명 수를 O(n²)에서 O(n)으로 줄여 선형 확장 가능성을 실현한다.
• 검증 가능한 난수 함수는 신뢰할 수 있는 설정이 필요 없고, 공개 키 기반 인프라 없이도 공정하고 동적 리더 선택을 가능하게 한다.
• 이 프로토콜는 스테이킹 기반 증명과 제재 조치, 동적 참가자 집합, 리더 전환을 지원하여 공개 블록체인에 적합하다.
• LinBFT는 작업 증명에 의존하지 않으면서도 매 블록마다 합의가 이루어지도록 보장하여 효율성과 최종성 향상을 이룬다.