[論文レビュー] In Search for a Linear Byzantine Agreement.

Alexander Spiegelman|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 22被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、同期状態下で効率的な合意に成功する決定論的同期アルゴリズムを最初に使用し、非同期状態で進行が妨げられた場合にのみ確率的非同期プロトコルにフォールバックする、楽観的なビザンチン合意プロトコルを提案する。通信コストのフォールバックは必要最小限に抑えられ、確率1で終了を保証するが、従来の手法が内蔵する非同期期間における無限大の通信コストを回避する。

ABSTRACT

The long-standing byzantine agreement problem gets more attention in recent years due to the increasing demand for scalable geo-replicated Byzantine state machine replication (SMR) systems (e.g., Blockchains). To date, the key bottleneck of such systems is the communication cost of the byzantine agreement they employ as a building block, which motivates many researchers to search for low-communication byzantine agreement protocols. The conventional approach is to design deterministic protocols in the eventually synchronous communication model that are optimized to reduce the communication cost after the global stabilization time (GST). In this paper, we challenge the conventional approach and argue it is not the best fit for scalable SMR systems since it might induce an unbounded communication cost during asynchronous periods before GST, which we prove to be inherent. Instead, we forgo eventual synchrony and propose a different approach that hopes for the best (synchrony) but prepares for the worst (asynchrony). Accordingly, we design an optimistic protocol that first tries to reach an agreement via an efficient deterministic algorithm that relies on synchrony for termination, and then, only if an agreement was not reached due to asynchrony, the protocol uses a randomized asynchronous algorithm for fallback that guarantees termination with probability $1$. Although randomized asynchronous algorithms are considered to be costly, we design our solution to pay this cost only when an equivalent cost has already been paid while unsuccessfully trying the synchronous protocol. Moreover, we formally prove that our protocol achieves optimal communication complexity under all network conditions and failure scenarios.

研究の動機と目的

• 従来のビザンチン合意プロトコルが非同期期間中に発生する無限大の通信コストを解消し、地理的に分散されたSMRシステムにおけるスケーラビリティを向上させること。
• 非同期に至るまでの段階で最適化される決定論的で、最終的に同期的であるプロトコルの従来の設計を挑戦すること。
• 効率性のための同期状態を仮定しつつも、非同期状態でも確率1で終了を保証する確率的フォールバックメカニズムを用いて、合意を達成するプロトコルを設計すること。
• 同期および非同期の両方のフェーズを含むあらゆる障害シナリオとネットワーク状態において、最適な通信コストを達成すること。
• 確率的フォールバックのコストが、同期合意の失敗によってすでに支払われたコストに相当する場合にのみ発生することを保証すること。

提案手法

• ネットワークの同期性に依存して終了を保証する決定論的同期アルゴリズムを用いて、最初に合意を試行する楽観的プロトコルを設計する。
• 確率1で終了を保証する確率的非同期ビザンチン合意プロトコルに基づくフォールバックメカニズムを導入する。
• 同期フェーズが非同期性によって失敗した場合にのみフォールバックをトリガーし、より高コストな確率的プロトコルの無駄な使用を回避する。
• すべてのネットワーク状態下でのプロトコルの通信コストを形式的に分析し、最適な複雑度を達成することを証明する。
• 同期パスがすでに失敗した後にのみ確率的プロトコルのコストを支払うことで、効率性と耐障害性のバランスを取る。
• 形式的検証を用いて、障害パターンやネットワーク動作にかかわらず、プロトコルが最適な通信複雑度を維持することを証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビザンチン合意プロトコルは、同期および非同期の両方のネットワーク状態で最適な通信複雑度を達成できるか？
• RQ2 同期状態を効率性の根拠として利用しつつも、不要な通信コストを負担せずに、確率的非同期フォールバックに滑らかに移行できるプロトコルを設計することは可能か？
• RQ3 従来の最終的に同期的であるプロトコルが、GST以前の非同期期間中に発生する本質的な通信コストは何か？ そして、これをバウンディングまたは排除することは可能か？
• RQ4 確率的非同期フォールバックを使用することで通信コストが増加するが、より知的で洗練されたプロトコル設計によってこれを回避できるか？
• RQ5 同期パスがすでに失敗した場合にのみフォールバックコストが発生するようなプロトコルを構築することは可能か？ これによりコスト効率が保証されるか？

主な発見

• 提案されたプロトコルは、従来の最終的に同期的プロトコルに内在する非同期期間における無限大の通信コストを回避する。
• プロトコルは、同期フェーズおよび非同期フェーズの両方を含むあらゆるネットワーク状態で、最適な通信複雑度を達成する。
• 同期フェーズが失敗した場合にのみ、確率的非同期プロトコルへのフォールバックが発動され、コストが必要な場合にのみ発生する。
• ビザンチン故障や長期にわたる非同期状態が存在する状況でも、確率1で終了を保証する。
• 同期合意の失敗によってすでに支払われたコストに相当する場合にのみ、フォールバックメカニズムの通信コストが発生するため、過剰な通信オーバーヘッドを回避する。
• 形式的解析により、あらゆる障害シナリオおよびネットワーク行動において、プロトコルの通信複雑度が最適であることが確認された。