[논문 리뷰] Cerberus: Minimalistic Multi-shard Byzantine-resilient Transaction Processing

Jelle Hellings, Daniel P. Hughes외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 10.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 39인용 수 6

한 줄 요약

Cerberus는 분산 레지스트리에서 비잔틴 결함에 강건한 다중 샤드 트랜잭션 처리를 위한 최소화되고 고도로 확장 가능한 프레임워크를 제안한다. UTXO 의미 체계를 활용해 조정을 최소화한다. 일반 조건에서 최적 성능을 내는 Core-Cerberus, 공격 복구 기능을 갖춘 저지연 시간 옵티미스틱 실행을 위한 Optimistic-Cerberus, 악성 환경에서도 강건성을 확보하는 Pessimistic-Cerberus를 제공한다—각 샤드당 트랜잭션당 한 번 또는 두 번의 공청 단계만으로도 높은 처리량을 달성한다.

ABSTRACT

To enable high-performance and scalable blockchains, we need to step away from traditional consensus-based fully-replicated designs. One direction is to explore the usage of sharding in which we partition the managed dataset over many shards that independently operate as blockchains. Sharding requires an efficient fault-tolerant primitive for the ordering and execution of multi-shard transactions, however. In this work, we seek to design such a primitive suitable for distributed ledger networks with high transaction throughput. To do so, we propose Cerberus, a set of minimalistic primitives for processing single-shard and multi-shard UTXO-like transactions. Cerberus aims at maximizing parallel processing at shards while minimizing coordination within and between shards. First, we propose Core-Cerberus, that uses strict environmental requirements to enable simple yet powerful multi-shard transaction processing. In our intended UTXO-environment, Core-Cerberus will operate perfectly with respect to all transactions proposed and approved by well-behaved clients, but does not provide any guarantees for other transactions. To also support more general-purpose environments, we propose two generalizations of Core-Cerberus: we propose Optimistic-Cerberus, a protocol that does not require any additional coordination phases in the well-behaved optimistic case, while requiring intricate coordination when recovering from attacks; and we propose Pessimistic-Cerberus, a protocol that adds sufficient coordination to the well-behaved case of Core-Cerberus, allowing it to operate in a general-purpose fault-tolerant environments without significant costs to recover from attacks. Finally, we compare the three protocols, showing their potential scalability and high transaction throughput in practical environments.

연구 동기 및 목표

• 고성능 분산 레지스트리 시스템에서 기존의 공청 기반 블록체인의 확장성 및 처리량 한계를 해결하기 위해.
• 샤드된 DLT 네트워크에서 다중 샤드 UTXO 유사 트랜잭션을 처리하기 위한 최소화되고 조정 효율이 높은 기본 원리 설계를 위해.
• 프로토콜 변종을 통해 고성능 옵티미스틱 실행과 악성 환경에서의 강건한 내성 보장을 동시에 지원하기 위해.
• 최소한의 조정 오버헤드로 효율적이고 확장 가능하며 내성적인 샤드 간 트랜잭션 처리를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• Core-Cerberus는 엄격한 환경 가정을 통해 잘 행동하는 클라이언트의 경우 각 샤드당 트랜잭션당 단일 공청 단계 처리를 가능하게 하여 최대한의 병렬성과 최소한의 조정을 달성한다.
• Optimistic-Cerberus는 장애가 발생하지 않은 경우 추가적인 조정 단계를 제거하며, 공격 발생 시에만 복구 메커니즘에 의존한다.
• Pessimistic-Cerberus는 정상 작동 시 경량 조정을 추가하여 고비용 복구 없이도 내성을 확보한다.
• 프로토콜은 PBFT 위에 구축되었지만, 기반 공청 프로토콜에 대해 무관하게 설계되어 HotStuff와 같은 다른 프로토콜과의 통합이 가능하다.
• 순서 없는 트랜잭션 처리를 지원하여, 특히 고부하 환경에서 처리량과 지연 시간을 향상시킨다.
• UTXO 의미 체계를 활용하여 트랜잭션 의존성을 감소시키고 효율적인 샤드 간 조정을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 샤드 트랜잭션 처리에서 비잔틴 결함에 강건함을 유지하면서도 조정 비용을 최소화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 최소화된 프로토콜이 샤드당 트랜잭션당 한 번의 공청 단계만으로도 샤드된 DLT 환경에서 고처리량과 확장성을 달성할 수 있는가?
• RQ3 옵티미스틱 실행과 내성적인 복구 기능을 다중 샤드 환경에서 안전하게 결합할 수 있는가?
• RQ4 다중 샤드 트랜잭션 처리에서 성능, 조정 오버헤드, 내성성 간의 상충 관계는 무엇인가?

주요 결과

• Core-Cerberus는 잘 행동하는 조건에서 각 샤드당 트랜잭션당 단일 공청 단계만으로도 높은 처리량을 달성하여 최대한의 병렬성을 확보한다.
• Optimistic-Cerberus는 정상 작동 시 추가 공청 단계를 회피함으로써 조정 오버헤드를 줄여 비잔틴 환경에서 지연 시간과 처리량을 향상시킨다.
• Pessimistic-Cerberus는 정상 작동 시 조정 오버헤드가 약간 증가할 뿐이지만 강력한 내성을 제공하여 성능 저하 없이도 강건성을 확보한다.
• 프로토콜은 기반 공청 프로토콜에 대해 무관하게 설계되어, 최적화된 PBFT와 같은 고처리량 구현과의 통합이 가능하다.
• 순서 없는 처리 지원은 블로킹과 지연 시간을 감소시켜 고부하 환경에서 성능 향상에 기여한다.