[논문 리뷰] ONLAY: Online Layering for scalable asynchronous BFT system

Quan Nguyen, André Cronje|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 13.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 16인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 없이도 결정론적이고 일致된 합의를 달성할 수 있도록 하는 스케일러블 비동기 Byzantine Fault Tolerance(BFT) 프레임워크인 ONLAY를 소개한다. 이 프레임워크는 리더리스 DAG 기반 합의 시스템에서 온라인 레이어 할당을 사용하는 새로운 계층화 프로토콜 $L_{\theta}$에 기반한다. 계층적 그래프 계층화와 Lamport 타임스탬프를 통한 논리적 시간 순서 정렬을 활용하여 $L_{\theta}$는 블록체인 없이도 노드 간에 결정론적이고 일致된 합의를 달성하며, 이는 이방성 네트워크에서도 고성능과 고결함성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

This paper presents a new framework, namely \emph{\onlay}, for scalable asynchronous distributed systems. In this framework, we propose a consensus protocol $L_ϕ$, which is based on the Lachesis protocol~\cite{lachesis01}. At the core of $L_ϕ$ protocol, it introduces to use layering algorithm to achieve practical Byzantine fault tolerance (pBFT) in leaderless asynchronous Directed Acyclic Graph (DAG). Further, we present new online layering algorithms for the evolutionary DAGs across the nodes. Our new protocol achieves determistic scalable consensus in asynchronous pBFT by using assigned layers and asynchronous partially ordered sets with logical time ordering instead of blockchains. The partial ordering produced by $L_ϕ$ is flexible but consistent across the distributed system of nodes. We then present the formal model of our layering-based consensus. The model is generalized that can be applied to abstract asynchronous DAG-based distributed systems.

연구 동기 및 목표

• 기존의 DAG 기반 합의 프로토콜이 스케일러블하고 결정론적이며 비동기 Byzantine Fault Tolerance를 달성하는 데에 한계를 보이고 있는 문제를 해결하기 위해.
• 리더리스이고 비동기인 BFT 시스템에서의 확장성과 일관성 문제를 해결하기 위해 새로운 계층화 메커니즘을 도입하기 위해.
• 비동기 DAG 기반 분산 시스템에 적용 가능한 계층화 기반 합의의 일반화된 모델을 정식화하기 위해.
• 블록체인 아키텍처에 의존하지 않고도 효율적이고 일관되며 결함 내성적인 거래 확인을 가능하게 하기 위해.
• Lachesis 유사 프로토콜의 형식적 의미를 일관된 컷과 분산 공통 지식을 기반으로 정의하여 검증 가능성과 정확성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• Lachesis DAG 모델에 기반한 $L_{\theta}$ 합의 프로토콜을 제안하며, 이는 이벤트를 논리적 레이어로 조직하기 위해 온라인 레이어 할당을 사용한다.
• 이벤트 전파 중에 동적으로 레이어를 할당하기 위해 두 가지 온라인 계층화 알고리즘인 '온라인 최장경로 계층화'와 '온라인 Coffman-Graham 알고리즘'을 적용한다.
• Lamport 타임스탬프와 Happened-Before 관계를 사용하여 논리적 시간 순서를 정의하고, 노드 간에 부분 순서 일관성을 보장한다.
• 합의의 최종성에 핵심이 되는 이벤트들인 Clotho와 Atropos를 식별하기 위해 루트 그래프와 프레임 할당 개념을 도입한다.
• 일관된 컷 의미론을 적용하여 전역 시스템 상태를 계산하고 분기(fork)를 탐지함으로써 분산 노드 간의 일관성을 보장한다.
• 글로벌 일관성을 유지하고 효율적인 거래 확인을 가능하게 하기 위해 피어 선택 및 동기화 메커니즘을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리더리스이고 비동기인 BFT 시스템이 블록체인에 의존하지 않고 어떻게 결정론적 합의를 달성할 수 있는가?
• RQ2 어떤 계층화 전략이 동적 DAG 기반 분산 시스템에서 확장성과 일관성을 갖춘 이벤트 순서를 보장하는가?
• RQ3 온라인 레이어 할당 알고리즘이 Byzantine 조건 하에서도 결함 내성성과 일관성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 어떤 형식적 모델이 이방성 조건에서도 DAG 내의 부분 순서가 모든 노드에서 일관되게 유지됨을 보장하는가?
• RQ5 Clotho와 Atropos와 같은 핵심 이벤트는 어떻게 식별되고, 탈중앙화되고 결함 내성적인 방식으로 거래를 최종화하는 데 사용되는가?

주요 결과

• $L_{\theta}$ 프로토콜은 블록체인 없이도 계층화를 사용함으로써 이방성 네트워크에서 결정론적이고 확장 가능한 합의를 달성한다.
• 제안된 온라인 계층화 알고리즘인 '온라인 최장경로'와 '온라인 Coffman-Graham'은 낮은 계산 오버헤드로 효율적이고 동적으로 레이어를 할당할 수 있다.
• 이 프레임워크는 블록체인 없이도 1/3-BFT 환경을 포함한 Byzantine 자유 네트워크 모두에서 작동하며, 악성 환경에서도 뛰어난 강건성을 보여준다.
• 계층화 기반 합의의 형식적 모델은 일반화 가능하며, 어떤 비동기 DAG 기반 분산 시스템에도 적용 가능하다.
• 일관된 컷과 프레임 할당을 통한 전역 상태 계산의 일관성 보장으로 인해 신뢰할 수 있는 분기 탐지 및 제거가 가능하다.
• 분산 공통 지식과 일관된 컷을 기반으로 한 Lachesis의 형식적 의미론은 합의 성질에 대한 검증 가능한 기반을 제공한다.