[논문 리뷰] Mir-BFT: High-Throughput Robust BFT for Decentralized Networks

Chrysoula Stathakopoulou, Tudor David외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 13.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 47인용 수 20

한 줄 요약

Mir-BFT는 해시스페이스 분할과 서명 검증 분할 기법을 사용해 복제 제안을 방지하면서도 탈중앙화된 네트워크에서 병렬 리더가 요청 배치를 제안할 수 있도록 허용하는 고성능 비잔티노스 결함내성(BFT) 프로토콜이다. 100개 노드로 구성된 WAN 환경에서 1초 미만의 지연 시간을 기록하며 초당 60,000건 이상의 서명된 비트코인 크기(500바이트) 거래를 처리하며, 최신 BFT 프로토콜을 뛰어넘는 성능을 기록하면서도 강력한 안전성과 활성 보장을 유지한다.

ABSTRACT

This paper presents Mir-BFT, a robust Byzantine fault-tolerant (BFT) total order broadcast protocol aimed at maximizing throughput on wide-area networks (WANs), targeting deployments in decentralized networks, such as permissioned and Proof-of-Stake permissionless blockchain systems. Mir-BFT is the first BFT protocol that allows multiple leaders to propose request batches independently (i.e., parallel leaders), in a way that precludes request duplication attacks by malicious (Byzantine) clients, by rotating the assignment of a partitioned request hash space to leaders. As this mechanism removes a single-leader bandwidth bottleneck and exposes a computation bottleneck related to authenticating clients even on a WAN, our protocol further boosts throughput using a client signature verification sharding optimization. Our evaluation shows that Mir-BFT outperforms state-of-the-art and orders more than 60000 signed Bitcoin-sized (500-byte) transactions per second on a widely distributed 100 nodes, 1 Gbps WAN setup, with typical latencies of few seconds. We also evaluate Mir-BFT under different crash and Byzantine faults, demonstrating its performance robustness. Mir-BFT relies on classical BFT protocol constructs, which simplifies reasoning about its correctness. Specifically, Mir-BFT is a generalization of the celebrated and scrutinized PBFT protocol. In a nutshell, Mir-BFT follows PBFT "safety-wise", with changes needed to accommodate novel features restricted to PBFT liveness.

연구 동기 및 목표

• 광역망에서 단일 리더의 대역폭 및 CPU 부하로 인해 발생하는 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 비잔티노스 클라이언트 행동 조건에서도 요청 중복을 유발하지 않도록 병렬 리더가 요청을 동시에 제안할 수 있도록 하기 위해.
• 비동기 네트워크에서 강력한 안전성과 활성 보장을 유지하면서도 100노드 WAN 환경에서 초당 60,000건 이상의 처리량을 확보하기 위해.
• 소규모 신뢰할 수 있는 위원회를 기반으로 하는 허가된 및 스테이크 기반 허가되지 않은 블록체인에 실용적이고 확장 가능한 BFT 솔루션을 제공하기 위해.

제안 방법

• 요청 해시 스페이스를 분할하고 각 리더에게 서로 겹치지 않는 부분집합을 할당하여 비잔티노스 클라이언트로부터의 중복 제안을 방지하기 위해.
• 리더 할당을 주기적으로 전환하여 비잔티노스 리더가 요청을 차단하는 공격을 방지하기 위해.
• CPU 부하를 분산시키고 각 리더의 검증 오버헤드를 줄이기 위해 서명 검증 분할 최적화를 구현하기 위해.
• 다중 병렬 인스턴스의 뷰 변경 및 프리프리페어/프리페어/커밋 단계를 일반화하여 각각 요청 세트의 분할된 부분을 처리하기 위해.
• 정확성 보장을 위해 쿠오럼 기반 투표, 뷰 동기화 등의 고전적 BFT 구성 요소를 사용하고, 추론을 단순화하기 위해 사용하기 위해.
• 최종 동기 가정을 활용해 활성 보장을 확보하면서도 비동기 조건 하에서도 안전성을 유지하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비잔티노스 클라이언트 조건에서도 요청 중복을 유발하지 않도록 다수의 병렬 리더가 작동하는 BFT 프로토콜이 가능할 수 있는가?
• RQ2 전역 조율 또는 리더 간 조율에 의존하지 않고도 다중 리더 BFT 프로토콜에서 요청 중복을 방지할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ3 병렬 리더십과 클라이언트 서명 검증 분할 최적화를 조합함으로써 광역망 환경에서 달성할 수 있는 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ4 광역망에서 크래시 및 비잔티노스 장애 조건 하에서도 프로토콜이 안전성과 활성 보장을 유지할 수 있는가?
• RQ5 PBFT의 잘 이해된 논리 기반 BFT 프로토콜이 탈중앙화된 네트워크에서 대규모 환경에서 고성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• Mir-BFT는 100노드, 1Gbps 광역망 환경에서 초당 60,000건 이상의 서명된 비트코인 크기(500바이트) 거래를 처리한다.
• 일반적인 운영 조건 하에서도 지리적으로 분산된 노드 간에도 일반적으로 몇 초 내외의 지연 시간을 기록한다.
• Honeybadger 및 BEAT와 같은 최신 BFT 프로토콜보다 처리량과 양호한 처리량 측면에서 뚜렷한 성능 우위를 보인다.
• 크래시 및 비잔티노스 장애 모델을 포함한 다양한 장애 조건 하에서도 뛰어난 성능을 유지하며 강력한 내구성을 입증한다.
• 서명 검증 분할 최적화가 네트워크 대역폭에서 CPU로의 버티브라인 전환을 효과적으로 이끌어내어 효율적인 확장성을 가능하게 한다.
• Mir-BFT는 WAN 환경에서 동시에 병렬 리더 지원, 요청 중복 방지, 강력한 안전성 및 활성 보장 보장을 동시에 달성하는 최초의 BFT 프로토콜이다.