[논문 리뷰] RCanopus: Making Canopus Resilient to Failures and Byzantine Faults

Srinivasan Keshav, Wojciech Golab외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 22.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 13인용 수 6

한 줄 요약

RCanopus는 Canopus 공식 프로토콜을 확장하여 지리적으로 분산된 시스템에서 비잔티노스 결함 내성과 라이브니스를 달성한다. 이는 노드를 지리적으로 국소화된 비잔티노스 그룹(BG)으로 묶어 병렬 공식을 달성하고, 파ip라인, 한 사이클 지연 커밋, 쿼orum 기반 검증을 통해 안전성과 장애, 비잔티노스 결함, 네트워크 분할에 대한 내성을 확보한다.

ABSTRACT

Distributed consensus is a key enabler for many distributed systems including distributed databases and blockchains. Canopus is a scalable distributed consensus protocol that ensures that live nodes in a system agree on an ordered sequence of operations (called transactions). Unlike most prior consensus protocols, Canopus does not rely on a single leader. Instead, it uses a virtual tree overlay for message dissemination to limit network traffic across oversubscribed links. It leverages hardware redundancies, both within a rack and inside the network fabric, to reduce both protocol complexity and communication overhead. These design decisions enable Canopus to support large deployments without significant performance degradation. The existing Canopus protocol is resilient in the face of node and communication failures, but its focus is primarily on performance, so does not respond well to other types of failures. For example, the failure of a single rack of servers causes all live nodes to stall. The protocol is also open to attack by Byzantine nodes, which can cause different live nodes to conclude the protocol with different transaction orders. In this paper, we describe RCanopus (`resilent Canopus') which extends Canopus to add liveness, that is, allowing live nodes to make progress, when possible, despite many types of failures. This requires RCanopus to accurately detect and recover from failure despite using unreliable failure detectors, and tolerance of Byzantine attacks. Second, RCanopus guarantees safety, that is, agreement amongst live nodes of transaction order, in the presence of Byzantine attacks and network partitioning.

연구 동기 및 목표

• 비잔티노스 결함과 네트워크 분할 상황에서도 안전성과 라이브니스를 유지하는 내성적인 지리적 분산 공식 프로토콜을 설계한다.
• 기존 BFT 프로토콜의 확장성 한계를 극복하기 위해 지리적으로 그룹화된 비잔티노스 그룹(BG) 간 병렬 공식을 가능하게 한다.
• 장애나 분할 상황에서도 안전성을 확보하기 위해 상태 커밋을 위한 한 사이클 지연 메커니즘을 도입한다.
• 노드 장애, 비잔티노스 행동, 네트워크 분할을 포함한 다양한 결함 유형을 처리하면서 처리량을 유지한다.
• 파이프라인 및 트리 기반 메시지 전파와 같은 기존의 확장 가능한 공식 패tern과 원활하게 통합한다.

제안 방법

• 랙 내에서 슈퍼리프(SL)로 노드를 그룹화하고, SL들을 비잔티노스 그룹(BG)으로 클러스터링하여 내부 그룹 공식을 빠르게 달성한다.
• 고처리량을 위해 파이프라인, 라운드 기반, 트리 오버레이 통신 패턴을 활용하는 Canopus 프로토콜을 기반으로 한다.
• 장애 또는 비잔티노스 BG가 이전 사이클 종료 시점에 활성 상태였음을 검증함으로써 안전성을 확보하기 위해 한 사이클 지연 커밋 메커니즘을 구현한다.
• 에뮬레이터 응답과 메시지 무결성을 위해 쿼럼 기반 검증을 적용하며, 비잔티노스 위장 방지를 위해 증명서를 요구한다.
• 전역 BFT 공식을 통해 장애 또는 분할된 BG를 제외함으로써, 초과 다수의 BG가 정상 작동할 경우 라이브니스를 보장한다.
• 일시적 장애를 위해 장애 감지기와 재시도 메커니즘을 통합하고, 원자적 브로드캐스트 및 배치 타이머를 활용해 신뢰성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지리적으로 분산된 공식 프로토콜은 어떻게 비잔티노스 결함과 네트워크 분할 상황에서도 안전성과 라이브니스를 유지하면서 대규모 구현에 확장 가능한가?
• RQ2 노드 장애나 조기 종료가 발생하더라도 외부 공식이 필요 없이 안전한 상태 커밋을 위한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 지리적으로 분리된 비잔티노스 그룹 간의 파이프라인 및 병렬 공식을 BFT 보장을 어떻게 조합할 수 있는가?
• RQ4 한 사이클 지연 커밋 메커니즘이 장애나 비잔티노스 행동 상황에서 안전성을 확보하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 쿼럼 기반 검증 및 증명서 메커니즘은 비잔티노스 노드가 전역 상태를 오염시키는 것을 어떻게 방지하는가?

주요 결과

• 한 사이클 지연 커밋 메커니즘은 BG가 이전 사이클 종료 시점에 활성 상태였음을 확인한 경우에만 다른 BG의 상태를 커밋함으로써 안전성을 보장한다.
• RCanopus는 Canopus의 파이프라인, 트리 기반 통신 패턴을 활용해 다수의 비잔티노스 그룹(BG) 간 병렬 공식 실행을 통해 고처리량을 유지한다.
• 각 BG당 최대 f개의 비잔티노스 결함을 견디며, 장애 또는 분할된 BG를 제외하기 위한 전역 BFT 공식을 통해 네트워크 분할 후 복구가 가능하다.
• 모든 에뮬레이터 응답에 대해 쿼럼 증명서를 요구함으로써 RCanopus는 비잔티노스 노드가 거래 순서나 상태에 대해 거짓말을 하지 못하도록 방지한다.
• 지연된 커밋과 재시도 메커니즘을 통해 일반적인 경우 라이브니스를 보장하며, BFT 제외 공식이 필요한 드문 장애 상황에서만 정지된다.
• RCanopus는 안전성과 일관성 보장을 훼손하지 않고 Canopus의 확장성과 성능을 장애 내성적, 지리적으로 분산된 환경에 성공적으로 확장한다.