[논문 리뷰] Shoal++: High Throughput DAG BFT Can Be Fast!

Balaji Arun, Zekun Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2024. 05. 30.

Medical Imaging Techniques and ApplicationsMedicine인용 수 3

한 줄 요약

Shoal++는 고처리량 DAG 기반 비잔틴 결함 내성(BFT) 합의 프로토콜로, 앵커 빈도를 증가시키고, 앵커 선택을 위한 결정론적 명성 체계를 사용하며, 병렬 DAG 인스턴스를 지원함으로써 종단 간 거래 지연을 4.5개 메시지 지연으로 줄인다. 이는 최신의 DAG-BFT 시스템과 유사한 처리량을 달성하면서도 이전 연구 대비 최대 60% 낮은 지연을 구현한다.

ABSTRACT

Today's practical partially synchronous Byzantine Fault Tolerant (BFT) consensus protocols trade off low latency and high throughput. On the one end, traditional BFT protocols such as PBFT and its derivatives optimize for latency. They require, in fault-free executions, only 3 message exchanges to commit, the optimum for BFT consensus. However, this class of protocols typically relies on a single leader, hampering throughput scalability. On the other end, a new class of so-called DAG-BFT protocols demonstrates how to achieve highly scalable throughput by separating data dissemination from consensus, and using every replica as proposer. Unfortunately, existing DAG-BFT protocols pay a steep latency premium, requiring on average 10.5 message exchanges to commit a transactions. This work aims to soften this tension and proposes Shoal++, a novel DAG-based BFT consensus system that offers the throughput of DAGs while reducing commit latency to an average of 4.5 message exchanges. Our empirical findings are encouraging, showing that Shoal++ achieves throughput comparable to state-of-the-art DAG BFT solutions while reducing latency by up to 60%.

연구 동기 및 목표

• 고처리량 DAG-BFT 프로토콜과 저지연 전통적 BFT 프로토콜(예: PBFT) 간의 지연 격차를 해소하기 위해.
• 높은 처리량을 자랑함에도 불구하고 종단 간 지연이 10.5개 메시지 지연에 이르는 기존 DAG-BFT 프로토콜의 문제를 해결하기 위해.
• DAG 구조를 활용해 부분적으로 동기 환경에서 빠르고 확장 가능하며 내성적인 합의를 가능하게 하기 위해.
• DAG-BFT의 처리량 이점을 유지하면서도 전통적 BFT 프로토콜의 3개 메시지 지연 최적치에 가까워지도록 시스템을 설계하기 위해.
• 비잔틴 및 느린 레플리카에 대한 의존도를 줄여 실용성을 높이기 위해 비결정적 데이터 확보를 비critical path에서 제거하기 위해.

제안 방법

• 약속 확정을 위해 필요한 라운드 수를 줄이기 위해 앵커 스케줄을 동적으로 재해석함으로써, 라운드당 하나의 앵커로 앵커 빈도를 증가시킨다.
• 가장 빠르고 가장 잘 연결된 레플리카만 앵커 후보로 선택할 수 있도록 결정론적 명성 체계를 도입함으로써 신뢰성과 성능을 향상시킨다.
• 각 레플리카당 병렬 DAG 인스턴스를 도입하여 제안 빈도를 증가시키고, 거래의 큐잉 지연을 줄인다.
• Bullshark Direct Commit 규칙을 활용해 DAG 구조에 기반해 제안을 조기에 확정함으로써, 장애 없음 경우의 지연을 최소화한다.
• 인증된 DAG를 사용해 내구성을 확보하고 비결정적 데이터 확보를 critical path에서 제거함으로써 비잔틴 및 느린 레플리카에 대한 내성을 향상시킨다.
• 정상 작동 시 리더/앵커 타임아웃을 제거하고, 유일하게 결정론적 명성과 구조적 보장을 기반으로 활성화 보장을 확보한다.

Figure 1 . Narwhal’s round-based DAG from a validator’s local point of view. All nodes are certified.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DAG 기반 BFT 프로토콜이 고처리량을 유지하면서도 이론적 최소치인 3개 메시지 지연에 가까운 종단 간 지연을 달성할 수 있는가?
• RQ2 기존 DAG-BFT 프로토콜에서 지연의 주요 원인은 무엇이며, 이를 체계적으로 줄일 수 있는가?
• RQ3 라운드당 앵커 빈도를 높이면 합의 지연과 시스템 내성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 결정론적 명성 체계가 DAG-BFT에서 앵커 선택과 지연 감소에 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ5 병렬 DAG 인스턴스가 일致성이나 복잡성 증가 없이 큐잉 지연을 효과적으로 줄일 수 있는가?

주요 결과

• Shoal++는 장애 없음 경우, Shoal에서의 평균 종단 간 거래 지연을 10.5개 메시지 지연에서 4.5개 메시지 지연으로 줄였다.
• 이 프로토콜은 최신의 DAG-BFT 시스템과 유사한 처리량을 달성하면서도, 이전 연구 대비 최대 60% 낮은 지연을 구현했다.
• 병렬 DAG 인스턴스의 사용은 제안 빈도를 증가시켜 큐잉 지연을 효과적으로 줄였다.
• 결정론적 명성 체계는 성능이 뛰어난 레플리카만 앵커로 선택함으로써 신뢰성과 지연 감소를 향상시켰다.
• Shoal++는 인증된 DAG를 사용해 비결정적 데이터 확보를 critical path에서 제거함으로써 비잔틴 및 느린 레플리카에 대한 내성을 확보했다.
• 이 시스템은 고처리량과 저지연이 DAG-BFT에서 상호 배제되지 않음을 입증하며, 전통적 BFT 프로토콜의 3개 메시지 지연 최적치에 가까워지고 있다.

Figure 2 . Bullshark Commit example. Replica 4 observes two ( $f+1$ ) votes for anchor A1, and thus directly commits it. Replica 1 observes only one ( $<f+1$ ) vote, and thus cannot directly commit A1. Upon committing A2, however, it observes that A1 is present in its causal history and indirectly c