[論文レビュー] Gosig: Scalable Byzantine Consensus on Adversarial Wide Area Network for Blockchains

Peilun Li, Guosai Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 36被引用数 14

ひとこと要約

Gosig は、暗号基盤の秘密リーダー選択、マルチラウンド投票、gossip に基づくメッセージ伝達を組み合わせることで、適応的ネットワーク攻撃下でも保証された安全性和およびライブネスを達成する、許可型ブロックチェーン向けのスケーラブルなバシルト・フォールトトレラント（BFT）コンセンサスプロトコルである。140ノードのグローバルなテストベッド上で、1分未満の確認遅延で秒間4,000件のトランザクションを処理し、HoneyBadgerBFT や他の最先端プロトコルを凌駆するスループットと遅延性能を達成している。

ABSTRACT

Existing Byzantine fault tolerance (BFT) protocols face significant challenges in the consortium blockchain scenario. On the one hand, we can make little assumptions about the reliability and security of the underlying Internet. On the other hand, the applications on consortium blockchains demand a system as scalable as the Bit-coin but providing much higher performance, as well as provable safety. We present a new BFT protocol, Gosig, that combines crypto-based secret leader selection and multi-round voting in the protocol layer with implementation layer optimizations such as gossip-based message propagation. In particular, Gosig guarantees safety even in a network fully controlled by adversaries, while providing provable liveness with easy-to-achieve network connectivity assumption. On a wide area testbed consisting of 140 Amazon EC2 servers spanning 14 cities on five continents, we show that Gosig can achieve over 4,000 transactions per second with less than 1 minute transaction confirmation time.

研究の動機と目的

• 敵対的広域ネットワーク条件下でも、高パフォーマンスで保証された安全なバシルトコンセンサスを許可型ブロックチェーンで実現する課題に対処すること。
• 長期間にわたるリーダーの露出を回避することで、既存のBFTプロトコルが受ける適応的リーダー標的攻撃の脆弱性を克服すること。
• 部分的に同期的ネットワーク下でもライブネスを維持し、完全に敵対的なネットワーク制御下でも安全を保つプロトコルを設計すること。これは、数千ノードの規模でも成立する。
• 実世界の地理的に分散した環境での実用的導入を可能とし、高いスループットと低い遅延を実現すること。

提案手法

• 攻撃者が事前にリーダーを予測または標的とできないように、暗号基盤の秘密リーダー選択を採用する。
• 順序に依存しない署名集約を用いたマルチラウンド投票を採用し、ネットワークオーバーヘッドを低減し、スケーラビリティを向上させる。
• ネットワークの冗長性を活用し、ノード障害や遅延に強く耐性を持つよう、gossip に基づくメッセージ伝達メカニズムを採用する。
• 署名収集とメッセージ伝達を分離する非同期マルチ署名検証を導入し、遅延を低減する。
• ライブネスの証明に部分的同期ネットワーク仮定を用いながら、任意のネットワーク障害下でも安全を維持する。
• スループットと遅延のバランスを図るため、max_block_size とラウンド時間 T を設定可能なパラメータとして用い、システム負荷に応じた適応的チューニングを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に敵対的なネットワーク行動とノード標的攻撃が可能な広域ネットワーク環境下でも、BFTプロトコルが保証された安全性和およびライブネスを達成できるか？
• RQ2 大規模な許可型ブロックチェーンにおいて、適応的DDoS攻撃から防御するため、リーダーの露出をどのように完全に排除できるか？
• RQ3 プロトコルレイヤーの技術的工夫と実装最適化の組み合わせによって、大規模スケールで高スループットと低遅延を実現できるか？
• RQ4 gossipベースの通信と署名集約は、大規模BFTコンセンサスにおけるネットワークオーバーヘッドをどの程度低減できるか？
• RQ5 地理的に分散したノードと部分的ネットワーク障害を伴う実世界のネットワーク環境下で、Gosigはどのように動作するか？

主な発見

• 140ノードの広域ネットワークテストベッド（5大陸14都市にまたがる）で、Gosig は秒間4,000件のトランザクションを処理し、平均トランザクション確認遅延が1分未満であることを達成した。
• ノードの25％が障害しても、Gosig は3,500件/秒以上のスループットを維持し、同じ遅延を保ち続けるため、強力な耐障害性を示している。
• 100ノード環境では、現在の最先端プロトコルであるHoneyBadgerBFTと同等の安全保証を持つが、スループットは2倍に、遅延は80％削減された。
• シミュレーションでは10,000ノードまでスケーリング可能であり、現実的なネットワーク条件下でも低遅延と高スループットを維持している。
• max_block_size が4MBを超えると、スループットは4,000 TPS で飽和し、現在の帯域幅とラウンド時間の設定下でのシステム容量の限界を示している。
• 140ノードシステムでは、ラウンド時間 T が40秒のときに最大スループットが達成されるが、T が短くなる（例：30秒未満）と、設定オーバーヘッドの増加により非線形な性能劣化が発生する。