[論文レビュー] Hierarchical Consensus: Scalability Through Optimism and Weak Liveness

Antonino, Pedro, Durand, Antoine+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2021

Distributed systems and fault tolerance参考文献 37被引用数 9

ひとこと要約

Dittoは、通常時（ハッピー・パス）では最適な線形通信複雑性、非同期時では最適な2次複雑性を達成するバシリンス状態機械複製プロトコルであり、ネットワーク障害やDDoS攻撃下でもライブネスを保証する。HotStuffのパーカーマーを非同期フォールバックに置き換えることで、非効率なモードと堅牢なモードの間を、漸近的コストを追加せずにシームレスかつ低コストで切り替えることが可能となり、実用的にHotStuffおよびVABAを上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

Existing committee-based Byzantine state machine replication (SMR) protocols, typically deployed in production blockchains, face a clear trade-off: (1) they either achieve linear communication cost in the happy path, but sacrifice liveness during periods of asynchrony, or (2) they are robust (progress with probability one) but pay quadratic communication cost. We believe this trade-off is unwarranted since existing linear protocols still have asymptotic quadratic cost in the worst case. We design Ditto, a Byzantine SMR protocol that enjoys the best of both worlds: optimal communication on and off the happy path (linear and quadratic, respectively) and progress guarantee under asynchrony and DDoS attacks. We achieve this by replacing the view-synchronization of partially synchronous protocols with an asynchronous fallback mechanism at no extra asymptotic cost. Specifically, we start from HotStuff, a state-of-the-art linear protocol, and gradually build Ditto. As a separate contribution and an intermediate step, we design a 2-chain version of HotStuff, Jolteon, which leverages a quadratic view-change mechanism to reduce the latency of the standard 3-chain HotStuff. We implement and experimentally evaluate all our systems. Notably, Jolteon's commit latency outperforms HotStuff by 200-300ms with varying system size. Additionally, Ditto adapts to the network and provides better performance than Jolteon under faulty conditions and better performance than VABA (a state-of-the-art asynchronous protocol) under faultless conditions. This proves our case that breaking the robustness-efficiency trade-off is in the realm of practicality.

研究の動機と目的

• BFTコンセンサスプロトコルにおける効率性と堅牢性のトレードオフを解消すること。
• 良好な条件下では線形通信コストを維持し、非同期時には2次コストを確保する実用的プロトコルを設計すること。
• 非同期状態およびDDoS攻撃下でもライブネスを保証しつつ、パフォーマンスを損なわないこと。
• 線形通信プロトコルに非同期フォールバックを統合し、追加の漸近的コストなしに実現すること。
• リーダー依存プロトコルにおけるブロックコミット遅延を短縮しながら、堅牢性を維持すること。

提案手法

• HotStuffに非同期フォールバック機構を拡張し、2次的パーカーマーの代わりに使用することで、非同期状態でもライブネスを確保する。
• Jolteonを導入し、2チェーン構造のHotStuff変種として、2次的ビュー変更メカニズムを用いてブロックコミット遅延を30％削減する。
• パイプライン設計を採用することで、通常状態および障害状態の両方で高いスループットと低遅延を維持する。
• しきい値署名と認証されたメッセージ交換を用いて、安全性和真正性を保証する。
• 非同期状態でも進行を保証するため、期待遅延Rのマルチバリュー二値合意（MVBA）プロトコルをフォールバックとして採用する。
• 高速（同期的）と堅牢（非同期的）なパスの間を、追加のラウンドや通信コストなしに、シームレスに切り替えるハイブリッドコンセンサスメカニズムを設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BFTコンセンサスプロトコルは、ライブネスを損なわず、通常時と非同期時の両方で最適な通信複雑性を達成できるか？
• RQ2 線形通信プロトコルに非同期フォールバックを統合する際に、追加の漸近的コストなしに実現可能か？
• RQ3 リーダー依存プロトコルにおけるブロックコミット遅延を短縮しつつ、リーダー障害やネットワーク障害に対する堅牢性を維持する方法は何か？
• RQ4 ハイブリッドコンセンサスプロトコルは、故障なしと故障ありの両方のネットワーク状態で、最先端の線形プロトコルおよび非同期プロトコルを上回る性能を発揮できるか？
• RQ5 生産環境向けコンセンサスシステムにおいて、パーカーマーを非同期フォールバックに置き換える実用的パフォーマンスへの影響は何か？

主な発見

• Dittoはハッピー・パスでは線形通信コスト、非同期時には2次コストを達成し、両者とも理論的最適値に一致する。
• Jolteonは、さまざまなシステム規模においてHotStuffと比較してブロックコミット遅延を200〜300ms短縮する。
• 障害なしの条件下では、DittoはJolteonと同等のパフォーマンスを発揮し、VABAよりもスループットで50％高い性能を示す。
• リーダーDoS攻撃下では、DittoはHotStuffおよびJolteonよりも30〜50％高いスループットを維持するが、後者はゼロに低下する。
• 最悪ケース（非同期状態）では、Dittoの期待遅延は13.5ラウンドであり、9.5ラウンドのMVBAフォールバックを備える。これはBDTの45ラウンドフォールバックを上回る。
• 実装により、Dittoが追加のラウンドや通信コストなしに、モード間をシームレスかつ低コストで切り替えることが確認された。