[논문 리뷰] AT2: Asynchronous Trustworthy Transfers

Rachid Guerraoui, Petr Kuznetsov외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 27.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 55인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 분산 시스템에서 이종적이고 신뢰할 수 있는 자산 이전을 위한 공인되지 않은 프레임워크인 AT2를 소개한다. 합의를 사용하는 대신 인과적 순서로 전파(primitive)를 활용함으로써 AT2는 더 높은 성능과 더 단순한 설계를 달성한다. 소규모 배포 환경에서 합의 기반 시스템 대비 1.5배에서 6배 높은 처리량과 최대 2배 낮은 지연 시간을 입증하였으며, 글로벌 규모에서도 1초 이내 실행 가능함을 보였다.

ABSTRACT

Many blockchain-based protocols, such as Bitcoin, implement a decentralized asset transfer (or exchange) system. As clearly stated in the original paper by Nakamoto, the crux of this problem lies in prohibiting any participant from engaging in double-spending. There seems to be a common belief that consensus is necessary for solving the double-spending problem. Indeed, whether it is for a permissionless or a permissioned environment, the typical solution uses consensus to build a totally ordered ledger of submitted transfers. In this paper we show that this common belief is false: consensus is not needed to implement of a decentralized asset transfer system. We do so by introducing AT2 (Asynchronous Trustworthy Transfers), a class of consensusless algorithms. To show formally that consensus is unnecessary for asset transfers, we consider this problem first in the shared-memory context. We introduce AT2$_{SM}$, a wait-free algorithm that asynchronously implements asset transfer in the read-write shared-memory model. In other words, we show that the consensus number of an asset-transfer object is one. In the message passing model with Byzantine faults, we introduce a generic asynchronous algorithm called AT2$_{MP}$ and discuss two instantiations of this solution. First, AT2$_{D}$ ensures deterministic guarantees and consequently targets a small scale deployment (tens to hundreds of nodes), typically for a permissioned environment. Second, AT2$_{P}$ provides probabilistic guarantees and scales well to a very large system size (tens of thousands of nodes), ensuring logarithmic latency and communication complexity. Instead of consensus, we construct AT2$_{D}$ and AT2$_{P}$ on top of a broadcast primitive with causal ordering guarantees offering deterministic and probabilistic properties, respectively.

연구 동기 및 목표

• 분산 자산 이전 시스템에서 이중 지출을 방지하기 위해 합의가 필수적이라는 널리 퍼진 믿음을 도전하기 위해.
• 단일 계정 이전 객체의 합의 수치가 1임을 공식적으로 증명함으로써, 정확성 확보를 위해 합의가 필요하지 않음을 의미하기 위해.
• 장애가 발생할 수 있는 비잔틴 장애를 고려한 공유 메모리 및 메시지 전달 모델을 위한 실용적인 비동기 알고리즘인 AT2 SM, AT2 D, AT2 P를 설계하고 구현하기 위해.
• 합의 기반 시스템에 비해 성능, 단순성, 활성 보장 측면에서 뛰어난 성능을 보이는 합의 없는 설계가 가능함을 입증하기 위해.
• 총괄 순서(ordering)에 의존하지 않고도 허가된(AT2 D) 및 허가되지 않은(AT2 P) 환경 모두에서 확장 가능하고 저지연의 자산 이전을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 안정적인 장애 발생 상황을 고려한 공유 메모리 모델에서의 자산 이전을 위한 대기 없이 작동하는(wait-free), 합의 수치가 1인 알고리즘인 AT2 SM을 도입한다.
• 인과적 순서 보장을 제공하는 안전한 전파(primitive) 기반의 일반적인 메시지 전달 알고리즘인 AT2 MP를 제안한다.
• 소규모 허가된 시스템(수십에서 수백 개 노드)을 위한 결정론적 구현인 AT2 D를 설계하며, 강력한 일致성 보장을 위해 인과적 전파를 사용한다.
• 대규모 비허가된 시스템(수천 개 노드)을 위한 확률적 구현인 AT2 P를 개발하며, 로그 시간 복잡도의 통신과 1초 이내의 지연 시간을 달성한다.
• 각 이전 작업이 동일한 계정과 관련된 운영만에 의존하도록 의존성 모델을 설계함으로써, 교환 가능한 실행을 가능하게 하고 조율을 줄인다.
• 총괄 순서(ordering)와 합의의 필요성을 제거하기 위해 인과적 순서를 보장하는 안전한 전파 추상화(abstraction)에 의존한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산 자산 이전 시스템에서 이중 지출을 방지하기 위해 합의가 진정으로 필수적인가?
• RQ2 자산 이전이 합의 수치가 1인 것으로 구현될 수 있는가? 이는 합의를 해결할 필요가 없다는 의미인가?
• RQ3 실제 배포 환경에서 합의 없는 시스템이 합의 기반 대안보다 더 높은 성능과 낮은 지연 시간을 달성할 수 있는가?
• RQ4 비잔틴 장애 하에서도 정확성을 보장하면서, 자산 이전 프로토콜에서 총괄 순서를 대체하기 위해 인과적 순서를 어떻게 활용할 수 있는가?
• RQ5 합의 없는 설계가 대규모 비허가 네트워크에 확장 가능하면서도 저지연과 고처리량을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 단일 계정 자산 이전 객체의 합의 수치는 1이며, 이는 분산 자산 이전을 위해 합의가 필요하지 않음을 증명한다.
• AT2 D는 최대 100개의 복제본을 가진 시스템에서 합의 기반 솔루션 대비 처리량 1.5배에서 6배 향상되고 지연 시간 최대 2배 감소한다.
• AT2 P는 수천 개의 노드를 포함하는 글로벌 규모의 배포 환경에서도 자산 이전 실행 시간을 1초 이내로 유지하며 강력한 수평 확장성을 입증한다.
• 총괄 순서 제거와 경량 인과적 전파 추상화에 의존함으로써, AT2 프레임워크는 합의 기반 시스템보다 더 단순하고 빠르다.
• AT2 알고리즘은 비동기적이고 FLP 불가능성의 영향을 받지 않으며, 타임아웃에 의존하지 않아도 활성 보장을 확보한다.
• 설계가 자연스럽게 서로 다른 계정 간의 교환 가능한 운영을 지원함으로써, 조율 없이도 효율적이고 탈중앙화된 실행을 가능하게 한다.