[논문 리뷰] Practical Synchronous Byzantine Consensus

Ling Ren, Kartik Nayak외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 07.

Distributed systems and fault tolerance인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 동기 조건 하에서 $2f+1$ 복제본 내성성을 달성하는 실용적인 바르비시안 상태 기반 복제 및 합의 프로토콜을 제안한다. 이는 PBFT의 $3f+1$ 복제본 요구 조건을 줄인 것이다. 동기 조건을 활용해 $f+1$ 개의 정상 복제본에서 모든 사전합의 쿼럼과 교차하는 후기합의 쿼럼을 형성함으로써, 이전의 작업보다 더 빠른 합의와 더 적은 라운드 수를 달성할 수 있다.

ABSTRACT

We present new protocols for Byzantine state machine replication and Byzantine agreement in the synchronous and authenticated setting. The celebrated PBFT state machine replication protocol tolerates $f$ Byzantine faults in an asynchronous setting using $3f+1$ replicas, and has since been studied or deployed by numerous works. In this work, we improve the Byzantine fault tolerance to $n=2f+1$ by utilizing the synchrony assumption. The key challenge is to ensure a quorum intersection at one \emph{honest} replica. Our solution is to rely on the synchrony assumption to form a \emph{post-commit} quorum of size $2f+1$, which intersects at $f+1$ replicas with any \emph{pre-commit} quorums of size $f+1$. Our protocol also solves synchronous authenticated Byzantine agreement in fewer rounds than the best existing solution (Katz and Koo, 2006). A challenge in this direction is to handle non-simultaneous termination, which we solve by introducing a notion of \emph{virtual} participation after termination. Our protocols may be applied to build practical synchronous Byzantine fault tolerant systems and improve cryptographic protocols such as secure multiparty computation and cryptocurrencies when synchrony can be assumed.

연구 동기 및 목표

• 동기 조건을 활용하여 바르비시안 장애 내성에 필요한 복제본 수를 $3f+1$ 에서 $2f+1$ 로 줄이는 것.
• 기존 프로토콜들, 예를 들어 Katz와 Koo (2006)와 같은 것들보다 더 적은 라운드 수로 동기 조건 하에서 인증된 바르비시안 합의를 해결하는 것.
• 종료 시점이 동시에 발생하지 않는 동기 합의 문제를 해결하기 위해 종료 이후 가상 참가를 도입하는 것.
• 동기 조건을 가정할 경우 바르비시안 장애 내성 시스템의 실용적 구현을 가능하게 하는 것.
• 동기 조건을 가정할 경우, 안전성과 효율성을 향상시킬 수 있는 암호 프로토콜(예: 안전한 다수의 계산 및 Cryptocurrency)을 개선하는 것.

제안 방법

• 동기 조건을 활용하여 $f+1$ 개의 정상 복제본에서 모든 사전합의 쿼럼과 교차하는 크기 $2f+1$ 의 후기합의 쿼럼을 형성하는 것.
• 동기 조건 하에서 쿼럼 교차 보장을 통해 $f$ 개의 바르비시안 장애가 존재하더라도 일관성과 활성화를 보장하는 것.
• 비동기 종료 문제를 처리하기 위해 가상 참가를 도입하여, 종료 이후에도 복제본이 차단되지 않고 합의를 완료할 수 있도록 하는 것.
• 기존 솔루션보다 더 적은 라운드 수를 가지는 새로운 인증된 바르비시안 합의 프로토콜을 설계하는 것.
• 안전성과 활성화를 확보하기 위해 인증된 통신과 시간 조건을 기반으로 하는 것.
• 새로운 합의 프로토콜을 기반으로 한 상태 기반 복제 프로토콜을 구성하여 $2f+1$ 복제본 내성성을 달성하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동기 조건 하에서 복제본 수를 $3f+1$ 에서 $2f+1$ 로 줄임으로써 바르비시안 상태 기반 복제를 더 효율적으로 만들 수 있는가?
• RQ2 동기 바르비시안 합의 프로토콜에서 정상 복제본에서 쿼럼 교차를 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ3 비동기 종료 상황에서도 빠른 종료와 활성화를 보장할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 기존 솔루션보다 더 낮은 라운드 수로 동기 조건 하에서 인증된 바르비시안 합의를 수행할 수 있는가?
• RQ5 가상 참가를 통해 정확성에 손상이 가지 않도록 비동기 종료 문제를 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 프로토콜은 단지 $2f+1$ 개의 복제본만으로도 바르비시안 장애 내성을 달성하여 PBFT의 $3f+1$ 요구 조건을 초월한다.
• 동기 조건을 활용해 크기 $2f+1$ 의 후기합의 쿼럼을 형성함으로써, $f+1$ 개의 정상 복제본에서 모든 사전합의 쿼럼과 교차하는 것을 보장한다.
• 기존 최고의 솔루션(Katz와 Koo, 2006)보다 더 적은 라운드 수로 동기 조건 하에서 인증된 바르비시안 합의를 해결한다.
• 가상 참가의 도입으로 비동기 종료 상황을 정확하게 처리할 수 있으며, 안전성과 활성화에 영향을 주지 않는다.
• 프로토콜은 실용적이며, 동기 조건을 가정할 경우 실제 시스템, 예를 들어 안전한 다수의 계산 및 암호화폐 등에 적용 가능하다.
• 인증된 동기 통신 환경 하에서도 강력한 일관성과 장애 내성을 유지한다.