[논문 리뷰] Proof-of-Execution: Reaching Consensus through Fault-Tolerant Speculation

Suyash Gupta, Jelle Hellings외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 03.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 107인용 수 17

한 줄 요약

Proof-of-Execution (PoE)는 순서 없는 거래 처리와 최종 합의 도달 이전의 사전 실행을 가능하게 하는 새로운 비잔틴 결함 내성(BFT) 합의 프rotocol이다. 이는 통신 비용과 지연을 줄이며, 장애 조건 하에서도 기존 BFT 프rotocol인 PBFT와 HotStuff보다 최대 80% 높은 처리량을 달성한다. PoE는 실행 증명과 안전한 롤백을 통해 안전성을 확보한다.

ABSTRACT

Multi-party data management and blockchain systems require data sharing among participants. To provide resilient and consistent data sharing, transactions engines rely on Byzantine FaultTolerant consensus (BFT), which enables operations during failures and malicious behavior. Unfortunately, existing BFT protocols are unsuitable for high-throughput applications due to their high computational costs, high communication costs, high client latencies, and/or reliance on twin-paths and non-faulty clients. In this paper, we present the Proof-of-Execution consensus protocol (PoE) that alleviates these challenges. At the core of PoE are out-of-order processing and speculative execution, which allow PoE to execute transactions before consensus is reached among the replicas. With these techniques, PoE manages to reduce the costs of BFT in normal cases, while guaranteeing reliable consensus for clients in all cases. We envision the use of PoE in high-throughput multi-party data-management and blockchain systems. To validate this vision, we implement PoE in our efficient ResilientDB fabric and extensively evaluate PoE against several state-of-the-art BFT protocols. Our evaluation showcases that PoE achieves up-to-80% higher throughputs than existing BFT protocols in the presence of failures.

연구 동기 및 목표

• 고처리량 다자간 데이터 관리 시스템에서 기존 비잔틴 결함 내성(BFT) 합의 프rotocol의 높은 계산, 통신, 지연 비용을 해결하기 위해.
• 비잔틴 장애 상황에서도 안전성과 활성화를 유지하면서 쌍둥이 경로, 비고장 클라이언트, 신뢰할 수 있는 구성 요소에 의존하지 않도록 하기 위해.
• 최종 합의 도달 이전의 사전 실행을 가능하게 함으로써 합의 오버헤드를 줄이는 BFT 프rotocol를 설계하기 위해.
• 악성 주자가 부분 실행 또는 일관되지 않은 결과를 초래할 경우에도 정확성과 일관성을 보장하기 위해.
• ResilientDB 플랫폼에 구현하고 광범위한 벤치마킹을 통해 프로토콜의 성능과 내성 검증하기 위해.

제안 방법

• PoE는 수렴하지 않는 사전 실행을 사용하여, 복제본이 커밋 메시지를 기다리지 않고 준비 메시지를 수신 즉시 거래를 실행할 수 있도록 한다.
• 처리 순서를 실행에서 분리함으로써 요청을 순서 없이 처리하고, 준비 메시지를 통해 부분 순서 보장을 유지한다.
• 프로토콜는 실행 증명 메커니즘을 통해 안전성을 확보한다: 클라이언트는 다수의 고장 없는 복제본으로부터 일치하는 응답을 수신하면 거래를 신뢰성 있게 커밋할 수 있다.
• 거래가 나중에 일관되지 않음으로 밝혀지면 복제본이 안전한 롤백을 수행하여 복제본 간 상태 수렴을 보장한다.
• PoE는 무관한 서명과 선형 통신 패턴을 활용하여 오버헤드를 줄이며, PBFT의 제곱형 통신 복잡도를 피한다.
• 프로토콜는 장애 내성과 성능을 최적화한 3단계 선형 구조(사전 준비, 준비, 커밋)를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 안전성이나 일관성을 훼손하지 않고 BFT 합의에 사전 실행을 안전하게 적용할 수 있는가?
• RQ2 비잔틴 장애 상황에서도 내성과 신뢰할 수 있는 구성 요소나 클라이언트 가정에 의존하지 않으면서 고처리량 BFT 프로토콜를 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 장애 조건 하에서 BFT 합의에서 순서 없는 처리와 사전 실행의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 일부 복제본이 거래를 조기에 실행할 경우에도 실행 증명 메커니즘이 클라이언트 수준의 신뢰성을 보장할 수 있는가?
• RQ5 PoE는 PBFT, HotStuff 및 기타 최신 BFT 프로토콜와 비교해 장애 상황에서 처리량과 지연 측면에서 어떻게 성능을 내는가?

주요 결과

• PoE는 128개의 복제본이 있는 시뮬레이션 환경에서 장애 조건 하에서 PBFT 및 HotStuff보다 최대 80% 높은 처리량을 달성한다.
• 최종 합의가 확정되기 이전의 사전 실행을 허용함으로써 통신 비용과 클라이언트 지연을 줄였다.
• 클라이언트가 다수의 고장 없는 복제본으로부터 일치하는 응답을 수신하면 일관성이 보장되는 실행 증명 메커니즘을 통해 PoE는 안전성과 활성화를 유지한다.
• 안전한 롤백을 통해 악성 주자 행동 조건 하에서도 일관되지 않은 실행을 되돌릴 수 있으며, 합의를 위반하지 않는다.
• 선형 통신 패턴과 무관한 서명 기법이 PBFT와 같은 제곱형 프로토콜에 비해 성능 향상에 기여한다.
• ResilientDB 플랫폼에서의 평가 결과, PoE는 고처리량 및 장애가 발생하기 쉬운 환경에서 기존 BFT 프로토콜를 능가하는 성능을 보였다.