[논문 리뷰] SBFT: a Scalable Decentralized Trust Infrastructure for Blockchains.

Guy Golan-Gueta, Ittai Abraham외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 04.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 41인용 수 73

한 줄 요약

SBFT는 블록체인 탈중앙화를 고려해 최적화된 확장 가능한 비잔티노스 결함 내성(BFT) 합의 프로토콜을 제안한다. 이는 100개 이상의 레플리카를 지원하며, 1초 미만의 최종성과 함께 초당 50笔의 트랜잭션 처리를 달성한다. 이는 기존 이더리움의 5 TPS보다 10배 빠르고, PoW 기반 최종성보다도 10배 이상 빠르다. 이는 지리적으로 분산된 환경에서 장애 내성적인 환경에서 이더리움 EVM 스마트 컨트랙트를 효율적으로 실행할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

We present SBFT: a scalable decentralized trust infrastructure for Blockchains. SBFT implements a new Byzantine fault tolerant algorithm that addresses the challenges of scalability and decentralization. Unlike many previous BFT systems that performed well only when centralized around less than 20 replicas, SBFT is optimized for decentralization and can easily handle more than 100 active replicas. SBFT provides a smart contract execution environment based on Ethereum's EVM byte-code. We tested SBFT by running 1 million EVM smart contract transactions taken from a 4-month real-world Ethereum workload. In a geo-replicated deployment that has about 100 replicas and can withstand $f=32$ Byzantine faults our system shows speedups both in throughput and in latency. SBFT completed this execution at a rate of 50 transactions per second. This is a $10 imes$ speedup compared to Ethereum current limit of $5$ transactions per second. SBFT latency to commit a smart contract execution and make it final is sub-second, this is more than $10 imes$ speedup compared to Ethereum current $>15$ second block generation for registering a smart contract execution and several orders of magnitude speedup relative to Proof-of-Work best-practice finality latency of one-hour.

연구 동기 및 목표

• 기존 비잔티노스 결함 내성(BFT) 시스템이 일반적으로 20개 레플리카를 초과하면 성능이 급격히 떨어지는 문제를 해결하기 위해.
• 100개 이상의 활성 레플리카를 가진 탈중앙화된 지리적으로 분산된 환경에서도 높은 성능과 강력한 일致성을 유지하는 BFT 프로토콜을 설계하기 위해.
• 실세계 블록체인 워크로드를 위한 실제 운영 가능한 스마트 컨트랙트 실행 환경을 제공하고, 이더리움 EVM 바이트코드와의 호환성을 확보하기 위해.
• 최대 f=32개의 비잔티노스 결함에 견딜 수 있는, 낮은 지연 시간 최종성과 높은 처리량을 달성하기 위해.

제안 방법

• SBFT는 100개 이상의 레플리카를 가진 대규모 탈중앙화 배포에 특화된 새로운 BFT 합의 알고리즘을 도입한다.
• 메시지 오버헤드를 줄이고 처리량을 향상시키기 위해 효율적인 통신 패턴을 활용한 뷰 기반 주도-백업 아키텍처를 사용한다.
• 다양한 데이터 센터에 걸쳐 지리적으로 복제된 배포를 지원하여 저지연 시간의 지역 간 조율을 가능하게 한다.
• 실제 이더리움 워크로드를 네이티브로 실행할 수 있도록 이더리움 EVM 바이트코드 기반의 스마트 컨트랙트 실행 환경을 통합한다.
• 리더 기반 합의 모델을 사용하며, 뷰 전환과 체크포인팅을 통해 비잔티노스 결함 상황에서도 지속성과 일관성을 확보한다.
• 각 트랜잭션 당 통신 및 계산 비용을 최소화하도록 설계되어, 대규모 환경에서도 높은 처리량과 낮은 지연 시간을 유지할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 100개 이상의 탈중앙화된 레플리카로 확장되었을 때, BFT 합의 프로토콜이 높은 처리량과 낮은 지연 시간을 유지할 수 있는가?
• RQ2 실세계 스마트 컨트랙트 워크로드에서 SBFT의 성능은 현재 이더리움의 5 TPS 제한과 PoW 기반 최종성과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 탈중앙화되고 지리적으로 복제된 환경에서 SBFT가 스마트 컨트랙트 실행에 대해 1초 이내의 최종성을 달성할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 대규모 배포 환경에서 성능이나 일관성을 희생시키지 않고, 최대 f=32개의 비잔티노스 결함을 어떻게 처리하는가?
• RQ5 수정 없이 또는 상당한 오버헤드 없이, SBFT가 실제 이더리움 스마트 컨트랙트 워크로드를 효율적으로 실행할 수 있는가?

주요 결과

• SBFT는 100만 건의 실세계 이더리움 스마트 컨트랙트 트랜잭션을 실행할 때 초당 50笔의 처리량을 달성했으며, 이는 현재 이더리움의 5 TPS 제한 대비 10배 빠른 성능 향상이다.
• 시스템은 스마트 컨트랙트 실행을 커밋하고 최종화하는 데 1초 이내의 지연 시간을 기록했으며, 이는 현재 이더리움의 평균 블록 생성 시간인 15초 이상보다 10배 이상 빠른 개선이다.
• 약 100개의 레플리카를 가진 지리적으로 복제된 환경에서 SBFT는 최대 f=32개의 비잔티노스 결함에 내성을 가지며 뛰어난 성능과 일관성을 보였다.
• 고용량 및 네트워크 파artition 상황에서도 높은 처리량과 낮은 지연 시간을 유지하여, 확장성과 장애 내성의 신뢰성을 입증했다.
• EVM 바이트코드 호환성을 확보한 실제 이더리움 워크로드를 성공적으로 실행하여, 생산용 블록체인 시스템에 대한 실용성을 입증했다.
• 최고 수준의 Proof-of-Work 블록체인 대비 최종성 지연 시간에서 수 개의 주기적 개선을 이룩했으며, 일반적으로 최종성 확정에 약 1시간이 소요된다.