[논문 리뷰] Narwhal and Tusk: A DAG-based Mempool and Efficient BFT Consensus

George Danezis, Eleftherios Kokoris-Kogias외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 25.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 36인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 비잔틴 결함에 견디는 시스템에서 고성능, 신뢰성 있는 거래 전파를 위한 DAG 기반 메모풀 프로토콜인 Narwhal과, 메시지 오버헤드가 없는 비동기 합의 프로토콜인 Tusk를 제안한다. 거래 전파와 합의 순서를 분리함으로써 Narwhal-HotStuff는 130,000 tx/sec의 속도를 기록하며 2초 이내의 지연을 유지하고, Tusk는 약 3초의 지연으로 160,000 tx/sec에 이를 수 있다. 이는 블록체인에서 주요 성능 저하 요인은 합의가 아니라 신뢰성 있는 거래 전파임을 입증한다.

ABSTRACT

We propose separating the task of reliable transaction dissemination from transaction ordering, to enable high-performance Byzantine fault-tolerant quorum-based consensus. We design and evaluate a mempool protocol, Narwhal, specializing in high-throughput reliable dissemination and storage of causal histories of transactions. Narwhal tolerates an asynchronous network and maintains high performance despite failures. Narwhal is designed to easily scale-out using multiple workers at each validator, and we demonstrate that there is no foreseeable limit to the throughput we can achieve. Composing Narwhal with a partially synchronous consensus protocol (Narwhal-HotStuff) yields significantly better throughput even in the presence of faults or intermittent loss of liveness due to asynchrony. However, loss of liveness can result in higher latency. To achieve overall good performance when faults occur we design Tusk, a zero-message overhead asynchronous consensus protocol, to work with Narwhal. We demonstrate its high performance under a variety of configurations and faults. As a summary of results, on a WAN, Narwhal-Hotstuff achieves over 130,000 tx/sec at less than 2-sec latency compared with 1,800 tx/sec at 1-sec latency for Hotstuff. Additional workers increase throughput linearly to 600,000 tx/sec without any latency increase. Tusk achieves 160,000 tx/sec with about 3 seconds latency. Under faults, both protocols maintain high throughput, but Narwhal-HotStuff suffers from increased latency.

연구 동기 및 목표

• 거래 전파와 순서 결정을 혼합한 단일 합의 프로토콜로 인해 발생하는 블록체인 시스템의 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 비동기 네트워크에서 인과적 순서와 고장 내성 보장을 보장하는 확장성 있고 신뢰성 있는 메모풀 프로토콜을 설계하기 위해.
• 전파 과정과 순서 결정을 분리함으로써 네트워크 비동기 상태나 고장 상황에서도 고성능 합의를 가능하게 하기 위해.
• 메시지 오버헤드가 없는 합의 프로토콜(Tusk)을 개발하여 완전한 비동기 환경에서도 효율적으로 작동하도록 하기 위해.
• 시스템 전체의 처리량이 합의 자체가 아니라 신뢰성 있는 거래 전파에 의해 제한됨을 입증하기 위해.

제안 방법

• Narwhal은 검증자 간에 인과적 순서를 보장하는 거래 블록의 신뢰성 있는 브로드캐스트를 가능하게 하는 DAG 기반 아키텍처를 사용한다. 이는 고장 내성과 고성능을 보장한다.
• 각 검증자는 자체 DAG를 유지하며, 이는 인과적 관계와 데이터 가용성을 검증할 수 있는 증명서를 포함한다.
• Narwhal은 각 검증자에서 여러 워커를 허용함으로써 수평 확장이 가능하게 하여 저장 및 처리 부담을 분산시킨다.
• Narwhal-HotStuff는 Narwhal 메모풀과 HotStuff 합의를 조합하며, 블록 해시만 순서가 정해지므로 합의 부담을 줄인다.
• Tusk는 완전히 비동기적이고 대기 없는 합의 프로토콜로, Narwhal의 DAG 아키텍처를 활용하여 각 참가자가 추가 메시지 없이도 최종 순서를 결정할 수 있다.
• Tusk는 각 검증자가 자신의 DAG를 현지에서 분석하고 메시지 교환 없이도 전역 순서를 유도함으로써 합의를 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신뢰성 있고 고성능의 거래 전파를 합의 순서 결정에서 분리하여 시스템 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 최소한의 오버헤드로 비동기 네트워크에서 인과적 순서와 고장 내성을 보장하는 메모풀 프로토콜은 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 비잔틴 결함에 견디는 시스템에서 전파 과정과 합의를 분리할 경우 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 DAG 기반 메모풀 위에 메시지 오버헤드가 없는 합의 프로토콜을 구축하여 비동기 상태에서도 라이프니스를 확보할 수 있는가?
• RQ5 워커의 확장이 지연 시간을 증가시키지 않으면서 처리량을 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• Narwhal-HotStuff는 50개의 지리적으로 분산된 검증자를 가진 WAN 환경에서 130,000건 이상의 거래를 초당 처리하며, 지연 시간이 2초 미만이다.
• 추가 워커의 수에 따라 처리량이 선형적으로 증가하여 지연 시간에 영향을 주지 않고도 600,000 tx/sec에 도달한다. 이는 효과적인 수평 확장임을 보여준다.
• 고장 발생 또는 비동기 네트워크 상황에서도 Narwhal-HotStuff는 높은 처리량을 유지하지만, 리더의 병목 현상과 재전송으로 인해 지연 시간이 증가한다.
• Tusk는 약 3초의 지연 시간으로 160,000 tx/sec의 처리량을 기록하며, 합의 단계에서 메시지 오버헤드가 없이도 완전한 비동기 환경에서 높은 성능을 달성한다.
• 시스템은 최소 50%의 체인 품질(즉, 50% 이상의 블록이 정직한 당사자에 의해 생성됨)을 유지하며, 기존 프로토콜 대비 가장 높은 편이다.
• 전파 과정과 순서 결정을 분리함으로써, 블록체인에서 주요 성능 저하 요인은 합의 자체가 아니라 신뢰성 있는 거래 전파임이 입증되었다.