[論文レビュー] Scalable and Probabilistic Leaderless BFT Consensus through Metastability

Team Rocket, Maofan Yin+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2019

Distributed systems and fault tolerance被引用数 60

ひとこと要約

この論文は、 metastable network subsampling に基づく leaderless Byzantine fault-tolerant コンセンサス・ファミリーである Snow を紹介し、Snowball に基づく DAG ベースの決済システム Avalanche を高スループットかつ低遅延で評価する。

ABSTRACT

This paper introduces a family of leaderless Byzantine fault tolerance protocols, built around a metastable mechanism via network subsampling. These protocols provide a strong probabilistic safety guarantee in the presence of Byzantine adversaries while their concurrent and leaderless nature enables them to achieve high throughput and scalability. Unlike blockchains that rely on proof-of-work, they are quiescent and green. Unlike traditional consensus protocols where one or more nodes typically process linear bits in the number of total nodes per decision, no node processes more than logarithmic bits. It does not require accurate knowledge of all participants and exposes new possible tradeoffs and improvements in safety and liveness for building consensus protocols. The paper describes the Snow protocol family, analyzes its guarantees, and describes how it can be used to construct the core of an internet-scale electronic payment system called Avalanche, which is evaluated in a large scale deployment. Experiments demonstrate that the system can achieve high throughput (3400 tps), provide low confirmation latency (1.35 sec), and scale well compared to existing systems that deliver similar functionality. For our implementation and setup, the bottleneck of the system is in transaction verification.

研究の動機と目的

• ネットワークサブサンプリングによる metastable 決定に基づく leaderless Byzantine fault-tolerant コンセンサス・ファミリーの新規導入。
• Proof-of-work やリーダー選出に依存せず、確率的安全性保証と有界な生存性を提供する。
• インターネット規模の電子決済システム（Avalanche）を概説・評価することで実用性を示す。
• 部分的なネットワーク知識の下での安全性、リブネス、及びビザンチン耐障害性のトレードオフを分析する。

提案手法

• ランダムなネットワークサンプリングに基づいて metastable 決定を推進する Snow プロトコル・ファミリ（Slush、Snowflake、Snowball）を定義する。
• 各プロトコルにいくつかの固定パラメータ（k、α、β）を用いてサンプリング、過半数閾値、信念カウンターを制御する。
• 連続時間マルコフ過程解析と不可逆性状態を用いて確率的安全性（ε-safety）と有界なリブネスを証明する。
• Snowball を信頼カウンターで拡張して意思決定の安定性を向上させ、フェーズ分析を適用して安全性とリブネスを保証する。
• 信任状/チットと子孫ベースの信頼度とともに、取引の DAG を用いたマルチ・ディクリー実装 Avalanche を、効率と安全性を向上させる説明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リーダーレスで metastable ランダムサンプリング・コンセンサスはビザンチン対抗者と共に信頼できる合意をどのように達成できるか。
• RQ2 Snow、Snowflake、Snowball のさまざまなビザンチン参加下での確率的安全性保証とリブネス特性はどのようになるか。
• RQ3 DAG ベースの構造（Avalanche）は暗号通貨型の決済のスループットと安全性をどう向上させるか。
• RQ4 提案システムの大規模展開における性能特性（スループット、レイテンシ）はどの程度か。

主な発見

• Snow プロトコルは正しく動作するノード間での衝突決定の確率が無視できる程度で ε-safety を達成する。
• 活性性は一定のラウンド数内で有界に保証され、敵対的な存在が小さい場合は収束が速く（条件付きで O(log n) ラウンド）なる。
• Avalanche は実験で高いスループットと低遅延を実現（例：3400 tps と 1.35 s の確認）している。
• メンバーシップの知識の不一致を許容し、全参加者の完全な知識を前提としない設計。
• PoW ベースの Nakamoto コンセンサスと比較して、Snow は静粛・省エネで、各ラウンドの通信が一定かつラウンド数が対数的なためネットワークサイズとともにスケールする。
• Snowflake と Snowball はノードごとのカウンターと信頼度を取り入れることで、より強力な安全性とより速い収束を提供する。