[논문 리뷰] Protocol for Asynchronous, Reliable, Secure and Efficient Consensus (PARSEC) Version 2.0

P.-Y. Chevalier, Bartłomiej Kamiński외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 26.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

PARSEC v2.0은 확률적으로 1로 수렴하는, 리더 없는 비동기 Byzantine Fault Tolerance(BFT) 합의 프로토콜을 제안하며, 최대 1/3의 Byzantine 장애를 견디고 분산 키 생성을 통해 동적 멤버십을 지원한다. 이 프로토콜은 가소성 기반 통신, 무작위화를 위한 공통 동전(common coin), 이진 합의를 조합하여 완전한 비동기 환경에서도 안전성과 활성화를 보장하며, 형식적 정당성 증명과 오픈소스 Rust 구현을 제공한다.

ABSTRACT

In this paper we present an open source, fully asynchronous, leaderless algorithm for reaching consensus in the presence of Byzantine faults in an asynchronous network. We prove the algorithm's correctness provided that less than a third of participating nodes are faulty. We also present a way of applying the algorithm to a network with dynamic membership, i.e. a network in which nodes can join and leave at will. The core contribution of this paper is an optimal model in the definition of an asynchronous BFT protocol, and which is resilient to 1/3 byzantine nodes. This model matches an agreement with probability one (unlike some probabilistic methods), and where a common coin is used as a source of randomization so that it respects the FLP impossibility result.

연구 동기 및 목표

• 최대 1/3의 고장 노드에 저항할 수 있는 완전히 비동기적이고 리더 없는 Byzantine Fault Tolerance 합의 프로토콜을 설계하는 것.
• 기타 프로토콜에서 볼 수 있는 확률적 안전성 보장을 피하고, 합의가 확률 1로 달성되도록 보장하는 것.
• 네트워크 초기화 이후 신뢰할 수 있는 딜러 없이도 멤버십 변경(노드의 추가/제거)을 가능하게 하는 것.
• FLP 불가능성 결과를 존중하면서도 활성화를 유지하는 비동기 환경에서의 라이프라인을 보장하는 공통 동전(common coin) 메커니즘을 통합하는 것.
• 생산용 탈중앙화 시스템(예: SAFE 네트워크)에 적합한 형식적 증명, 효율성, 오픈소스 구현을 제공하는 것.

제안 방법

• 노드 간 효율적인 이벤트 및 투표 전파를 위해 가소성 기반 통신 프로토콜을 사용하여 확장성과 내성적 통신을 달성한다.
• 이벤트 전파를 추적하고 합의 결정을 유도하는 '흥미로운 이벤트'를 식별하기 위해 가소성 그래프를 활용한다.
• 초과 다수의 관찰자에게서 이진 Byzantine 합의 프로토콜을 적용하여 다음 블록을 결정한다.
• 비동기 환경에서 활성화를 보장하고 합의 정체를 방지하기 위해 무작위화를 위한 공통 동전 메커니즘을 도입한다.
• 동적 멤버십 변경 시에 안전하게 멤버십 목록과 키 공유를 업데이트하기 위해 분산 키 생성(DKG)을 사용한다.
• 안정 블록을 통해 멤버십 변경을 처리하여 모든 노드가 새로운 멤버십과 암호화 매개변수에 대해 동일하게 합의하도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리더가 없는 완전한 비동기 BFT 합의 프로토콜이 최대 1/3의 Byzantine 장애를 견디며 확률 1로 합의에 도달할 수 있는가?
• RQ2 초기화 이후 신뢰할 수 있는 딜러에 의존하지 않고도 BFT 프로토콜에서 동적 멤버십 변경을 어떻게 지원할 수 있는가?
• RQ3 비동기 BFT 프로토콜에 공통 동전을 통합하여 FLP 불가능성 결과를 존중하면서도 활성화를 보장할 수 있는가?
• RQ4 리더나 라운드 로빈 구조 없이도 Byzantine 환경에서 효율적이고 신뢰성 있는 통신을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ5 가소성 기반 프로토콜에 이진 합의와 공통 동전을 조합하면 비동기 네트워크에서 안전성과 활성화를 동시에 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 프로토콜은 완전한 비동기 환경에서도 안전성과 활성화를 보장하며, 악성 메시지 지연이 있는 상황에서도 확률 1로 합의에 도달한다.
• 알고리즘은 이론적 최적 수준인 최대 1/3의 Byzantine 장애에 저항할 수 있다.
• DKG와 안정 블록 전파를 통해 동적 멤버십 변경을 지원하여 초기화 이후 외부 신뢰 기반의 간섭 없이 노드의 추가 또는 제거가 가능하다.
• 일致한 투표 규칙과 강력히 관찰된 이벤트를 통한 선형 역사 재구성 덕분에 모든 정상 노드가 동일한 블록에 도달한다.
• 공통 동전의 사용은 FLP 불가능성 결과를 존중하면서도 활성화를 유지하고 합의 정체를 방지하는 데 기여한다.
• 관찰자 투표, 초과 다수 합의, 선형 역사 일관성에 관한 보조정리들을 통해 프로토콜의 정확성이 형식적으로 증명되었다.