[논문 리뷰] Fantom: A scalable framework for asynchronous distributed systems

Sang‐Min Choi, Jiho Park외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 22.

Distributed systems and fault tolerance인용 수 12

한 줄 요약

Fantom은 Lachesis 프로토콜을 기반으로 하여 DAG 기반의 합의 메커니즘과 Lamport 타임스탬프, 지배 관계를 사용하여 실용적인 비잔티노스 장애 저항성을 달성하는 확장 가능하고 리더 없는 이방형 분산 시스템을 위한 프레임워크를 제안한다. 이는 루트 선택을 빠르게 하기 위한 n행 플래그 테이블과 일致한 컷 및 공통 지식 의미론을 사용하여 합의를 형식화함으로써 고성능, 허가되지 않은 참여가 가능한 강력한 일致성 보장을 제공한다.

ABSTRACT

We describe \emph{Fantom}, a framework for asynchronous distributed systems. \emph{Fantom} is based on the Lachesis Protocol~\cite{lachesis01}, which uses asynchronous event transmission for practical Byzantine fault tolerance (pBFT) to create a leaderless, scalable, asynchronous Directed Acyclic Graph (DAG). We further optimize the \emph{Lachesis Protocol} by introducing a permission-less network for dynamic participation. Root selection cost is further optimized by the introduction of an n-row flag table, as well as optimizing path selection by introducing domination relationships. We propose an alternative framework for distributed ledgers, based on asynchronous partially ordered sets with logical time ordering instead of blockchains. This paper builds upon the original proposed family of \emph{Lachesis-class} consensus protocols. We formalize our proofs into a model that can be applied to abstract asynchronous distributed system.

연구 동기 및 목표

• 동적이고 허가되지 않은 참여를 지원하는 확장 가능하고 이방형 분산 시스템 프레임워크를 설계하는 것.
• 지배 관계를 사용하여 효율적인 루트 선택과 경로 최적화를 통해 Lachesis 프로토콜을 향상시키는 것.
• 일致한 컷과 공통 지식 의미론을 사용하여 DAG 기반 시스템의 합의를 형식화하는 것.
• 블록체인 외부에도 적용 가능한 일반적인 이방형 DAG 모델에서 비잔티노스 장애 저항성을 증명하는 것.
• 블록체인 기반 순서 정렬을 Lamport 타임스탬프와 OPERA 체인을 통한 논리적 시간 순서 정렬로 대체하는 것.

제안 방법

• 프레임워크는 이벤트 블록과 그 종속성을 표현하기 위해 OPERA 체인이라고 불리는 방향성 비순환 그래프(DAG)를 사용한다.
• 각 노드는 이전 이벤트를 참조하는 이벤트 블록을 생성하여 왼쪽에서 오른쪽으로 향하는 부분 순서로 정렬된 역사 구조를 형성한다.
• 네트워크 전역의 이벤트 순서를 확립하기 위해 Lamport 타임스탬프를 사용한다.
• 그래프 이론에서의 지배 관계를 사용하여 합의에 영향을 미치는 중요한 이벤트(예: 루트, 클로토스, 아트로포스)를 식별한다.
• 조상 관계를 효율적으로 추적함으로써 루트 선택을 가속화하기 위해 n행 플래그 테이블을 도입한다.
• 지속적인 일치한 컷을 정의하여 전역 시스템 상태를 모델링하고, 포크 및 아트로포스와 같은 합의 이벤트를 탐지할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DAG 기반 합의 프로토콜에서의 루트 선택은 어떻게 확장성과 성능을 향상시키기 위해 최적화될 수 있는가?
• RQ2 DAG 내에서 지배 관계를 사용하여 루트와 아트로포스와 같은 합의 핵심 이벤트를 효율적으로 식별할 수 있는가?
• RQ3 일치한 컷은 어떻게 이방형 분산 시스템에서 전역 지식과 합의를 형식화하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ4 DAG 기반 합의 프로토콜에 대해 어떤 형식적 의미론을 정의할 수 있으며, 이를 통해 비잔티노스 장애 저항성의 증명이 가능해지는가?
• RQ5 허가되지 않은, 리더 없는, 이방형 합의 프레임워크는 블록체인에 의존하지 않고 실용적인 비잔티노스 장애 저항성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• n행 플래그 테이블은 DAG 내 조상 관계를 효율적으로 추적함으로써 루트 선택의 계산 비용을 크게 감소시킨다.
• 지배 관계의 사용은 합의에 중요한 영향을 미치는 이벤트인 루트와 아트로포스와 같은 핵심 이벤트를 확장 가능하고 정확하게 식별할 수 있도록 한다.
• 일치한 컷은 시스템이 전역 지식 상태를 모델링하고 포크 및 아트로포스와 같은 합의 이벤트를 높은 확률로 탐지할 수 있도록 한다.
• 동시 공통 지식(CCK) 기반의 형식적 의미론은 Lachesis 프로토콜에서 비잔티노스 장애 저항성의 엄밀한 증명을 가능하게 한다.
• 프레임워크는 이방형, 리더 없음, 허가되지 않은 환경에서 실용적인 비잔티노스 장애 저항성(pBFT)을 달성하며, 노드 수에 비례하여 선형 스케일링 가능한 처리량을 지원한다.
• 시스템은 형식적으로 최대 1/3 이하의 비잔티노스 노드에 대해 저항 가능하며, 악성 조건 하에서도 안전성과 활성화를 보장함을 증명하였다.