[논문 리뷰] Optimal good-case latency for byzantine broadcast and state machine replication

Ittai Abraham, Kartik Nayak외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 29.

Distributed systems and fault tolerance인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 동기화된 인증된 비잔티노스 합의, 브로드캐스트, 상태 기계 복제에서 이론적 하한선($\Delta$)과 이전 솔루션들(예: Sync HotStuff의 $2\Delta$) 사이의 격차를 좁히기 위해 near-optimal 양호한 케이스 지연 시간 $\Delta + 2\delta$를 달성하는 $1\Delta$ 프로토콜 패밀리—$1\Delta$-BA, $1\Delta$-BB, $1\Delta$-SMR—를 제안한다. 이 프로토콜들은 최적의 내성 능력 $f < n/2$를 갖는다. 이는 현실적인 지연 가정 하에서 최적의 성능을 달성한다.

ABSTRACT

This paper investigates the problem extit{good-case latency} of Byzantine agreement, broadcast and state machine replication in the synchronous authenticated setting. The good-case latency measure captures the time it takes to reach agreement when all non-faulty parties have the same input (or in BB/SMR when the sender/leader is non-faulty). Previous result implies a lower bound showing that any Byzantine agreement or broadcast protocol tolerating more than $n/3$ faults must have a good-case latency of at least $\Delta$, where $\Delta$ is the assumed maximum message delay bound. Our first result is a family of protocols we call $1\Delta$ that have near-optimal good-case latency. We propose a protocol $1\Delta$-BA that solves Byzantine agreement in the synchronous and authenticated setting with near-optimal good-case latency of $\Delta+2\delta$ and optimal resilience $f<n/2$, where $\delta$ is the actual (unknown) delay bound. We then extend our protocol and present $1\Delta$-BB and $1\Delta$-SMR for Byzantine fault tolerant broadcast and state machine replication, respectively, in the same setting and with the same good-case latency of $\Delta+2\delta$ and $f<n/2$ fault tolerance. Our $1\Delta$-SMR upper bound improves the gap between the best current solution, Sync HotStuff, which obtains a good-case latency of $2\Delta$ per command and the lower bound of $\Delta$ on good-case latency. Finally, we investigate weaker notions of the synchronous setting and show how to adopt the $1\Delta$ approach to these models.

연구 동기 및 목표

• 비잔티노스 결합, 브로드캐스트, 상태 기계 복제에서 이론적 하한선($\Delta$)과 기존 프로토콜의 양호한 케이스 지연 시간 사이의 격차를 해소하기 위해.
• 동기화된 인증된 환경에서 비잔티노스 합의, 브로드캐스트, 상태 기계 복제의 근사 최적의 양호한 케이스 지연 시간을 달성하는 프로토콜을 설계하기 위해.
• 더 약한 동기화 모델로의 $1\Delta$ 접근법 확장을 통해 낮은 지연 시간과 최적의 내성 능력을 유지하기 위해.
• SMR에서 Sync HotStuff의 $2\Delta$ 양호한 케이스 지연 시간을 개선하여 동일한 장애 내성 능력으로 $\Delta + 2\delta$를 달성하기 위해.

제안 방법

• 좋은 경우의 메시지 지연을 최소화하기 위해 이중 단계 통신 패턴을 활용하는 새로운 프로토콜 패밀리 $1\Delta$를 설계하기 위해.
• 비장애 리더가 $\Delta$ 시간 이내에 통신을 시작하는 리더 기반 접근법을 사용하고, 이후 빠른 쿼orum 기반 검증 단계를 수행하기 위해.
• 사전에 $\delta$를 알지 못해도 실제 알 수 없는 지연 $\delta$에 적응할 수 있는 새로운 지연 인지 메커니즘을 도입하기 위해.
• 안전성과 활성화를 $f < n/2$ 장애 하에서 확보하기 위해 인증 메시징과 쿼orum 기반 일致성 검사를 사용하기 위해.
• 내성 능력과 낮은 지연 시간을 유지하면서도 불필요한 통신을 줄이기 위해 메시지 교환 패턴을 최적화하기 위해.
• 메시지 전달 시간에 대한 가정을 완화함으로써 $1\Delta$ 프레임워크를 더 약한 동기화 모델에 적응시키기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비잔티노스 합의 프로토콜은 동기화된 인증된 환경에서 $f < n/2$ 장애를 견디면서도 양호한 케이스 지연 시간을 $\Delta + 2\delta$ 이내로 달성할 수 있는가?
• RQ2 $1\Delta$ 프로토콜 패밀리가 비잔티노스 합의에서 비잔티노스 브로드캐스트와 상태 기계 복제로 확장될 수 있으며, 동일한 지연 시간 범위를 유지할 수 있는가?
• RQ3 실제 지연 $\delta$가 알려져 있지 않지만 유계일 때 비잔티노스 장애 내성 프로토콜이 도달할 수 있는 최소한의 양호한 케이스 지연 시간은 얼마인가?
• RQ4 $1\Delta$ 접근법은 Sync HotStuff와 같은 기존 프로토콜과 비교해 지연 시간과 내성 능력 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 $1\Delta$ 프레임워크는 성능의 양호한 케이스 성능을 잃지 않고 더 약한 동기화 모델로 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• $1\Delta$-BA 프로토콜은 동기화된 인증된 환경에서 $f < n/2$ 내성 능력과 함께 $\Delta + 2\delta$의 양호한 케이스 지연 시간을 달성한다.
• $1\Delta$-BB 및 $1\Delta$-SMR 프로토콜은 $1\Delta$-BA와 동일한 $\Delta + 2\delta$의 양호한 케이스 지연 시간과 $f < n/2$의 내성 능력을 공유한다.
• $1\Delta$-SMR 프로토콜은 Sync HotStuff의 $2\Delta$ 양호한 케이스 지연 시간을 개선하여 $\Delta + 2\delta$를 달성함으로써 이론적 하한선 $\Delta$에 가까워졌다.
• 이 프로토콜들은 $f < n/2$의 장애에 견디며 최적의 내성 능력 임계값을 충족한다.
• $1\Delta$ 접근법은 더 약한 동기화 모델로도 적응 가능하며, 느슨한 가정 하에서도 낮은 양호한 케이스 지연 시간을 유지한다.
• 프로토콜 패밀리가 실제 지연 $\delta$에 동적으로 적응함으로써 사전 지식이 필요 없이 근사 최적의 성능을 달성한다.