[논문 리뷰] The Istanbul BFT Consensus Algorithm

Henrique Moniz|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 10.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 27인용 수 51

한 줄 요약

IBFT는 Quorum에서의 상태 머신 복제에 대한 결정적이고 리더 기반의 Byzantine 오류 허용 합의 알고리즘으로, 동기화 시기에 3개의 메시지 지연 내에 종료를 달성하며 O(n^2) 통신을 사용하고, n ≥ 3f+1에서 f Byzantine 오류를 허용합니다.

ABSTRACT

This paper presents IBFT, a simple and elegant Byzantine fault-tolerant consensus algorithm that is used to implement state machine replication in the \emph{Quorum} blockchain. IBFT assumes a partially synchronous communication model, where safety does not depend on any timing assumptions and only liveness depends on periods of synchrony. The algorithm is deterministic, leader-based, and optimally resilient - tolerating $f$ faulty processes out of $n$, where $n \geq 3f+1$. During periods of good communication, IBFT achieves termination in three message delays and has $O(n^2)$ total communication complexity.

연구 동기 및 목표

• 기업용 허가형 블록체인에 대한 견고하고 안전하며 작동하는 합의 목표.
• IBFT의 정확하고 올바른 형식적 설명과 정당성 증명 제공.
• latency 및 통신 측면에서의 IBFT와 관련된 부분적으로 동기화된 BFT 프로토콜과의 비교.
• GST 및 네트워크 지연 하에서의 안전성(합의 및 유효성) 및 가동성(종료) 확보.

제안 방법

• 프레임 PRE-PREPARE, PREPARE, COMMIT 및 ROUND-CHANGE 메시지로 라운드에 대한 결정적 리더 기반 IBFT 프로토콜 제시.
• JustifyPrePrepare 및 JustifyRoundChange 술어를 통한 라운드 간 안전성을 보장하는 쿼럼 기반 정당화 메커니즘 사용.
• GST와 지연 bound Δ를 갖는 부분 동기화 모델 정의 및 이 모델 하에서의 안전성(합의) 및 종료(가동성) 증명.
• 동의, 유효성 및 종료에 대한 올바름 증명 제공; 보조정리와 정리에 의한 수학적 귀납적 주장 포함.
• 통신 복잡도와 지연 측면에서 동료들과의 비교를 요약한 표 제시.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 IBFT가 Byzantine 오류 및 네트워크 비동기성 하에서 안전성(합의 및 유효성)을 보장하는가?
• RQ2 부분적으로 imperfect한 통신 기간 동안 IBFT에서 가동성(종료)을 보장하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 IBFT가 최적 내성 상한 n ≥ 3f+1를 충족하는지, GST 하에서의 지연 및 통신 비용은 무엇인가?
• RQ4 IBFT가 PBFT, Zyzzyva, Spinning, SBFT, HotStuff 등과 비교하여 복잡도 및 지연 측면에서 얼마나 우수한가?

주요 결과

알고리즘	일반 케이스 통신 복잡도	뷰 체인지 통신 복잡도	지연(메시지 지연 수)
DLS	O(n^4)	O(n^4)	O(n)
PBFT	O(n^2)	O(n^3)	3
Zyzzyva	O(n)	O(n^3)	1 / 3*
Spinning	O(n^2)	O(n^3)	3
SBFT	O(cn)^†	O(n^2)	5 / 7
HotStuff	O(n)	O(n)	8
IBFT (Sec. 4)	O(n^2)	O(n^2)	3

• IBFT는 양호한 라운드에서 세 메시지 지연으로 종료되며, 기존의 여러 BFT 프로토콜과 일치합니다.
• 적시 통신 하에서 IBFT는 O(n^2) 총 통신 복잡도를 달성합니다.
• IBFT는 n ≥ 3f+1에서 최대 f Byzantine 오류를 허용하며, 준비된/커밋된 상태 관리로 라운드 간 안전성을 보장합니다.
• 프로토콜은 뷰 변경 동안에도 쿼럼 기반 정당화를 사용하여 라운드 간 안전성을 유지합니다.
• 비교 표에서 IBFT의 일반 케이스 및 뷰 변경 통신 비용을 PBFT, Zyzzyva, Spinning, SBFT, HotStuff, DLS 등과 함께 제시합니다.