[논문 리뷰] Scalable and Probabilistic Leaderless BFT Consensus through Metastability

Team Rocket, Maofan Yin외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 20.

Distributed systems and fault tolerance인용 수 60

한 줄 요약

이 논문은 metastable 네트워크 서브샘플링에 기반한 Snow라는 leaderless Byzantine fault-tolerant 합의 패밀리를 도입하고, Snowball 위에 구축된 DAG 기반 결제 시스템 Avalanche를 평가하여 높은 처리량과 낮은 지연을 보인다.

ABSTRACT

This paper introduces a family of leaderless Byzantine fault tolerance protocols, built around a metastable mechanism via network subsampling. These protocols provide a strong probabilistic safety guarantee in the presence of Byzantine adversaries while their concurrent and leaderless nature enables them to achieve high throughput and scalability. Unlike blockchains that rely on proof-of-work, they are quiescent and green. Unlike traditional consensus protocols where one or more nodes typically process linear bits in the number of total nodes per decision, no node processes more than logarithmic bits. It does not require accurate knowledge of all participants and exposes new possible tradeoffs and improvements in safety and liveness for building consensus protocols. The paper describes the Snow protocol family, analyzes its guarantees, and describes how it can be used to construct the core of an internet-scale electronic payment system called Avalanche, which is evaluated in a large scale deployment. Experiments demonstrate that the system can achieve high throughput (3400 tps), provide low confirmation latency (1.35 sec), and scale well compared to existing systems that deliver similar functionality. For our implementation and setup, the bottleneck of the system is in transaction verification.

연구 동기 및 목표

• 메타스테이블한 네트워크 샘플링을 통한 리더less Byzantine fault-tolerant 합의 프로토콜 패밀리의 새로운 도입.
• 증명 기반의 안전성 보장과 근거리 생존성의 경계 설정 없이 작업 증명이나 리더 선출에 의존하지 않는 probabilistic한 안전성 보장과 한정된 생존성 제공.
• 인터넷 규모의 전자 결제 시스템(Avalanche)을 개략화하고 평가함으로써 실용성을 입증.
• 부분 네트워크 지식하에서 안전성, 생존성, Byzantine 장애 허용 간의 트레이드오프를 분석

제안 방법

• 메타스테이블한 결정을 이끄는 무작위 네트워크 샘플링 기반의 Snow 프로토콜 패밀리(Slush, Snowflake, Snowball) 정의.
• 샘플링, 다수결 임계치, 확신 카운터를 제어하기 위해 프로토콜당 몇 가지 고정 매개변수(k, α, β) 사용.
• 연속 시간 마르코프 과정 분석과 비가역성 상태를 통해 probabilistic safety(ε-safety)와 한정된 생존성 증명.
• 결정의 안정성을 향상시키기 위해 Snowball에 Confidence counters를 확장하고, 안전성과 생존성을 보장하기 위한 단계 분석 적용.
• 효율성과 보안을 높이기 위해 트랜잭션의 DAG를 활용한 다 decree 구현인 Avalanche를 설명하고, 칩(chits) 및 progeny 기반의 확신 적용

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리더 없는 metastable 무작위 샘플링 합의가 Byzantine 적대자와 함께 신뢰할 수 있는 합의에 도달할 수 있는가?
• RQ2 다양한 Byzantine 참여 하에서 Snow, Snowflake, Snowball의 probabilistic safety 보장 및 생존성 속성은 무엇인가?
• RQ3 DAG 기반 구조(Avalanche)가 암호화폐 스타일 결제의 처리량과 안전성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 제안된 시스템의 대규모 배치에서의 성능 특성(처리량, 지연)은 무엇인가?

주요 결과

• Snow 프로토콜은 올바른 노드 간 충돌 결정의 확률이 무시할 만큼 낮은 ε-안전성을 달성한다.
• 생 adversary의 존재가 작을 때는 특정 조건에서 O(log n) 라운드의 수에서 더 빠르게 수렴하는 한정된 라운드 내에서 생존성이 보장된다.
• 실험에서 Avalanche는 높은 처리량과 낮은 지연(예: 3400 tps 및 1.35 s 확인)을 가능하게 한다.
• 회원가입에 대한 지식의 차이가 있어도 프로토콜 설계가 허용되며 모든 참가자의 전체 지식에 의존하지 않는다.
• PoW 기반 Nakamoto 합의에 비해 Snow는 정적이고 에너지 효율적이며 라운드당 통신이 일정하고 라운드 수가 로그 스케일이므로 네트워크 규모에 따라 확장된다.
• Snowflake와 Snowball은 노드별 카운터와 신뢰도 측정을 도입하여 더 강력한 안전성과 더 빠른 수렴을 제공한다.