[論文レビュー] OPERA: Reasoning about continuous common knowledge in asynchronous distributed systems

Sang-Min Choi, Jiho Park+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2018

Distributed systems and fault tolerance参考文献 14被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、非同期分散システム向けの新しいコンSENSUSプロトコル族であるOPERAを紹介する。OPERAは、DAGベースのOPERAチェーンを用いて、ラムポート時刻、同時共通知識、およびコスト関数に基づくピア選択を活用することで、pBFTに比べて通信オーバーヘッドを低減しながらも、2/3の合意に基づくByzantine Fault Toleranceを達成する。リーダーレスで、PoWやラウンドロビン機構を必要とせず、より少ないステップで実用的なコンセンサスを達成する。

ABSTRACT

This paper introduces a new family of consensus protocols, namely \emph{Lachesis-class} denoted by $\mathcal{L}$, for distributed networks with guaranteed Byzantine fault tolerance. Each Lachesis protocol $L$ in $\mathcal{L}$ has complete asynchrony, is leaderless, has no round robin, no proof-of-work, and has eventual consensus. The core concept of our technology is the \emph{OPERA chain}, generated by the Lachesis protocol. In the most general form, each node in Lachesis has a set of $k$ neighbours of most preference. When receiving transactions a node creates and shares an event block with all neighbours. Each event block is signed by the hashes of the creating node and its $k$ peers. The OPERA chain of the event blocks is a Directed Acyclic Graph (DAG); it guarantees practical Byzantine fault tolerance (pBFT). Our framework is then presented using Lamport timestamps and concurrent common knowledge. Further, we present an example of Lachesis consensus protocol $L_0$ of our framework. Our $L_0$ protocol can reach consensus upon 2/3 of all participants' agreement to an event block without any additional communication overhead. $L_0$ protocol relies on a cost function to identify $k$ peers and to generate the DAG-based OPERA chain. By creating a binary flag table that stores connection information and share information between blocks, Lachesis achieves consensus in fewer steps than pBFT protocol for consensus.

研究の動機と目的

• 非同期ネットワークにおける従来のByzantine Fault Tolerantコンセンサスプロトコル（例：pBFT）の高遅延および通信オーバーヘッドを解消すること。
• 完全なネットワーク認識を必要とするか、ガスピング伝播が遅いなどの制限を抱える既存のDAGベースプロトコル（例：Hashgraph）の課題を克服すること。
• ラムポート時刻によるトポロジカルオーダリングと継続的共通知識を活用し、高速かつスケーラブルなコンセンサスを実現すること。
• リーダーレスで、PoS互換性を持つプロトコルを設計し、ラウンドロビンやPoWに依存せず、最終的にコンセンサスに到達すること。
• コスト関数に基づくピア選択とルートベースのコンセンサス検出を用いて、一般的な攻撃（例：二重支出、Sybil、長距離攻撃）に対する形式的なセキュリティ保証を提供すること。

提案手法

• 各イベントブロックが作成者およびそのk個の好ましいピアによって署名されるDAG（有向無閉路グラフ）として構築されたOPERAチェーンを構築する。
• ラムポート時刻を用いて、ノード間のイベントのトポロジカルオーダリングを確立し、グローバルクロックを必要とせずに一貫したグローバル順序を実現する。
• 各ノードごとにk個の最も好ましいピアを選択するためのコスト関数を活用し、効率的で耐障害性の高い通信トポロジを確保する。
• Lachesisコンセンサスアルゴリズム（LCA）を適用し、ルートおよびアトロポスイベントを用いてコンセンサスを検出する。コンセンサスは、2/3のノードがルートに合意した時点で達成される。
• コンセンサスに重要なイベントを特定し、二重支出を早期に検出するために、ClothoおよびAtropos選択メカニズムを導入する。
• 二重ブロック接続情報を効率的に格納するためのバイナリフラグテーブルを用い、コンセンサス検出を高速化し、通信複雑度を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リーダーレスで非同期なコンセンサスプロトコルは、pBFTに比べて通信オーバーヘッドを低減しながらByzantine Fault Toleranceを達成できるか？
• RQ2 継続的共通知識は、DAGベースのシステムにおいて、コンセンサスおよび二重支出イベントの検出に効果的に利用できるか？
• RQ3 ラムポート時刻とトポロジカルオーダリングは、グローバル同期なしで高速かつ一貫性のあるコンセンサスを実現できるか？
• RQ4 コスト関数に基づくピア選択は、非同期ネットワークにおけるコンセンサス速度および耐障害性を向上させることができるか？
• RQ5 PoWやリーダー依存機構に依存せず、一般的な攻撃（例：Sybil、二重支出、長距離攻撃）に対してプロトコルが耐性を持てるか？

主な発見

• L₀プロトコルは、参加者の2/3の合意に達した時点でコンセンサスに到達し、追加の通信オーバーヘッドなしに実用的なByzantine Fault Toleranceを実現する。
• ラムポート時刻とトポロジカルオーダリングの活用により、グローバルクロックや同期時刻を必要とせず、一貫したイベントグローバル順序を実現できる。
• OPERAチェーン構造のおかげで、従来のpBFTに比べてコンセンサス遅延が低減され、効率的なDAG走査とルート検出により、より少ないステップでコンセンサスに到達する。
• 二重支出イベントは、f+2ラウンド目までに検出可能であり、fはByzantineノードの数である。これにより早期検出と一貫性が保証される。
• システムは一般的な攻撃に対して耐性を持つ：Sybilおよびバイアス攻撃には2n/3を超える悪意あるノードが必要であり、長距離攻撃およびDoS攻撃は2/3のコンセンサス閾値のおかげで実現不可能である。
• コスト関数に基づくピア選択により、堅牢なネットワークトポロジと効率的なガスピング伝播が実現され、ランダムまたは全ネットワークガスピングモデルに比べて遅延が低減される。