[논문 리뷰] Scaling Blockchain Databases through Parallel Resilient Consensus Paradigm.

Suyash Gupta, Jelle Hellings외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 03.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 21인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 주로 백업 복제본 Byzantine Fault Tolerant (BFT) 합의 프로토콜의 성능을 향상시키기 위해 병렬으로 여러 BFT 프로토콜 인스턴스를 실행함으로써 거래 처리량을 확장하는 프로토콜에 관계없는 패러다임인 MultiBFT를 제안한다. 병렬 인스턴스들 간에 지속적으로 클라이언트 거래를 순서 정렬함으로써 MultiBFT는 최대 2배의 성능 향상을 달성하고 안정성과 활성화를 유지하면서 최대 초당 320,000건의 거래 처리량을 달성한다.

ABSTRACT

The recent surge in blockchain applications and database systems has renewed the interest in traditional Byzantine Fault Tolerant consensus protocols (BFT). Several such BFT protocols follow a primary-backup design, in which a primary} replica coordinates the consensus protocol. In primary-backup designs, the normal-case operations are rather simple. At the same time, primary-backup designs place an unreasonable burden on primaries and allows malicious primaries to affect the system throughput substantially, however. To resolve this situation, we propose the MultiBFT paradigm, a protocol-agnostic approach towards improving the performance of primary-backup consensus protocols. At the core of MultiBFT is an approach to continuously order the client-transactions by running several instances of the underlying BFT protocol in parallel. We bring forth our paradigm to two well-established BFT protocols and demonstrate that the rendered parallelized protocols are not only safe and live but also significantly outperform, up to $2 imes$, their original non-parallelized forms. Further, we show that our MultiBFT paradigm reaches a throughput of up to $320$K transactions per second.

연구 동기 및 목표

• 주로 복제본 BFT 합의 프로토콜에서 주 복제본의 과부하로 인해 발생하는 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 악성 또는 고장 난 주 복제본이 시스템 처리량에 미치는 영향을 줄이기 위해.
• 기존 BFT 프로토콜의 핵심 논리에 영향을 주지 않고도 이를 향상시킬 수 있는 프로토콜에 관계없는 프레임워크를 설계하기 위해.
• 안정성과 활성화를 유지하면서도 병행 실행을 통해 블록체인 데이터베이스의 확장성을 높이기 위해.

제안 방법

• MultiBFT 패러다임은 기반 BFT 프로토콜의 여러 인스턴스를 병행 실행하여 복제본 간에 합의 부담을 분산시킨다.
• 일관된 순서 정렬 메커니즘을 사용하여 병행 실행 중인 BFT 인스턴스들을 조율함으로써 클라이언트 거래를 지속적으로 순서 정렬한다.
• 이 접근법은 프로토콜에 관계없는 것으로, 기존의 주-백업 BFT 프로토콜에 최소한의 수정으로 적용할 수 있다.
• 모든 병행 인스턴스들 간에 엄격한 일관성과 장애 내성 보장을 통해 안정성과 활성화를 보장한다.
• 협조 레이어는 거래 분배와 최종 순서 정렬을 관리하여 충돌을 방지하고 전역 일관성을 확보한다.
• 단일 장애 지점이 되는 것을 방지하기 위해 합의 작업을 여러 복제본에 분산시켜 한 명의 주 복제본에 대한 의존도를 줄인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 병행 실행된 BFT 합의 인스턴스가 안정성이나 활성화를 훼손하지 않고 처리량을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 MultiBFT 패러다임은 비병행화된 BFT 프로토콜에 비해 거래 처리량 측면에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 다양한 워크로드와 장애 조건 하에서 MultiBFT 패러다임이 블록체인 데이터베이스의 확장성에 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ4 프로토콜에 특화된 변경 없이도 이 패러다임을 다양한 BFT 프로토콜에 일반적으로 적용할 수 있는가?
• RQ5 실제 구현 환경에서 MultiBFT 접근법을 통해 도달할 수 있는 최대 처리량은 얼마인가?

주요 결과

• MultiBFT 패러다임은 원래의 비병행화된 BFT 프로토콜에 비해 최대 2배 높은 처리량을 달성한다.
• 병행화된 프로토콜은 Byzantine 장애 조건 하에서도 안정성과 활성화를 유지하여 정확성과 신뢰성을 보장한다.
• 시스템은 최대 초당 320,000건의 거래 처리량을 기록하여 뛰어난 확장성을 입증한다.
• 성능 향상은 다양한 워크로드와 장애 시나리오에서 일관되게 유지된다.
• 프로토콜에 관계없는 설계 덕분에 여러 기존 BFT 프로토콜과 원활하게 통합될 수 있다.
• 악성 또는 과부하가 걸린 주 복제본으로 인한 성능 저하를 효과적으로 완화한다.