[논문 리뷰] Network-Agnostic State Machine Replication

Erica Blum, Jonathan Katz외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 09.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 28인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 동기 및 이방성 네트워크 모두에서 최적의 장애 내성 성능을 달성하는 네트워크 무관 상태기계복제(SMR) 프로토콜을 제안한다. 동기 설정에서는 최대 $ t_s < n/2 $ 건의 손상에 견디며, 이방성 설정에서는 최대 $ t_a < n/3 $ 건의 손상에 견딘다. 조건 $ t_a + 2t_s < n $ 하에, 이는 이 문제에 대해 알려진 가장 날카로운 경계를 충족하며, 불가능성 결과를 통해 최적성임을 증명한다.

ABSTRACT

We study the problem of state machine replication (SMR)---the underlying problem addressed by blockchain protocols---in the presence of a malicious adversary who can corrupt some fraction of the parties running the protocol. Existing protocols for this task assume either a synchronous network (where all messages are delivered within some known time $Δ$) or an asynchronous network (where messages can be delayed arbitrarily). Although protocols for the latter case give seemingly stronger guarantees, this is not the case since they (inherently) tolerate a lower fraction of corrupted parties. We design an SMR protocol that is network-agnostic in the following sense: if it is run in a synchronous network, it tolerates $t_s$ corrupted parties; if the network happens to be asynchronous it is resilient to $t_a \leq t_s$ faults. Our protocol achieves optimal tradeoffs between $t_s$ and $t_a$.

연구 동기 및 목표

• 기본 네트워크가 동기적인지 이방성인지에 관계없이 강력한 일致성과 활성화 보장을 유지하는 상태기계복제(SMR) 프로토콜을 설계하는 것.
• 동기 네트워크에서의 최대 손상 수 $ t_s $ 와 이방성 네트워크에서의 최대 손상 수 $ t_a $ 를 최적화하는 것.
• 프로토콜의 장애 내성 임계값이 최적임을 증명하기 위해 $ t_a + 2t_s o n $ 일 때 어떤 프로토콜도 존재할 수 없음을 보이는 것.
• 특히 네트워크 지식이 사전에 없을 경우, 적응형 손상에 대한 활성화와 일치성을 유지하는 데 도전하는 문제를 다루는 것.

제안 방법

• 모든 정상 참가자가 일致된 블록 세트 선택을 보장하기 위해 핵심 원리로 네트워크 무관 이방성 공통부분(ACS) 하위프로토콜을 사용한다.
• 두 단계 실행 방식을 채택한다: 첫 번째로 각 참가자가 입력을 수집하고 임계값 서명 기반으로 서명하며, 두 번째로 ACS 프로토콜을 실행하여 공통 블록 세트로 수렴한다.
• 메시지의 인증과 최종 블록 세트에 포함되는 입력의 유효성 보장을 위해 공개키 인fra구조(PKI)를 활용한다.
• 암호학적 서명과 일致성 검사를 통해 $ t_s $-유효성과 $ t_a $-활성화를 강제하여 정상 참가자들이 동일한 블록 세트에 합의하도록 보장한다.
• 동기 네트워크에서는 모든 정상 참가자가 ACS 프로토콜에 동일한 입력을 사용하도록 설계되어 $ t_s $-유효성 보장이 가능하다.
• 이방성 네트워크에서는 지연되거나 악성 메시지 전달이 발생하더라도 $ t_a $-활성화와 $ t_a $-일치성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동기 네트워크에서 $ t_s < n/2 $ 손상과 이방성 네트워크에서 $ t_a < n/3 $ 손상을 동시에 견딜 수 있는 상태기계복제 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ2 이러한 네트워크 무관 SMR 프로토콜에 대해 $ t_s $ 와 $ t_a $ 사이의 가장 날카로운 상호 교환 조건은 무엇인가?
• RQ3 일치성이나 활성화를 훼손하지 않고 두 네트워크 모델 모두에서 최적의 장애 내성 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 조건 $ t_a + 2t_s < n $ 는 이러한 프로토콜에 대한 근본적인 한계를 나타내며, 이 경계가 날카로운지 증명할 수 있는가?
• RQ5 반복적인 바르비안 합의 실행에 의존하지 않고도 네트워크 무관 환경에서 더 강력한 활성화 및 일치성 요구사항을 충족시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 SMR 프로토콜은 조건 $ t_a + 2t_s < n $ 하에 동기 네트워크에서 $ t_s $-활성화, 이방성 네트워크에서 $ t_a $-활성화를 달성하며, $ t_s < n/2 $ 및 $ t_a < n/3 $ 를 만족한다.
• 프로토콜은 이방성 네트워크에서 $ t_a $-일치성, 동기 네트워크에서 $ t_s $-일치성을 보장하여 모든 정상 참가자가 동일한 블록 시퀀스에 합의하도록 한다.
• 프로토콜의 장애 내성 임계값은 최적이다: $ t_a + 2t_s o n $ 일 때, 어떤 네트워크 무관 SMR 프로토콜도 $ t_s $-활성화와 $ t_a $-일치성을 동시에 달성할 수 없다.
• 불가능성 결과는 $ t_a + 2t_s o n $ 이면, 프로토콜이 동기 네트워크에서 $ t_s $-활성화이자 이방성 네트워크에서 $ t_a $-일치성일 수 없음을 보여준다.
• 프로토콜의 핵심은 정상 참가자들이 적응형 손상과 변동하는 네트워크 지연 조건 하에서도 동일한 블록 세트로 수렴하도록 보장하는 네트워크 무관 ACS 하위프로토콜에 기반한다.
• 프로토콜의 설계는 반복적인 바르비안 합의나 일반 컴파일러의 한계를 피하며, 네트워크에 무관한 특화된 솔루션을 구축하여 날카로운 보안 보장을 달성한다.