2018년 21번째 주 - Consensus algorithm

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이 포스팅은 그냥 지난 한 주간 읽었던 것들을 정리하는 포스트입니다. 그냥 예전에 봤던 글 중 나중에 필요한데 뭐였는지 기억 안 나는 글들이 있어서 쓰기 시작했습니다.

보통 하는 일과 관련된 글들이 올라오겠지만 딱히 정해둔 주제는 없고, 그때그때 관심 있었던 것을 읽었기 때문에 지난주에 쓰인 글일 수도 있고 몇 년 전에 쓰인 글일 수도 있습니다.

회사에서 이런 거 하느라 바빠서 한동안 다른 글은 읽을 시간이 없네요. 발표는 몇 주 동안 계속할 거라서 당분간은 발표자료 만들면서 참고했던 자료들을 공유할 것 같습니다.

Impossibility of distributed consensus with one faulty process

분산 환경에서 합의 알고리즘을 말할 때 빼놓을 수 없는 논문이다. 합의 알고리즘에 필요한 기본적인 속성은 크게 safety와 liveness가 있다. Safety는 잘못된 합의가 이루어지지 않는다는 것이고, liveness는 언젠가는 합의가 반드시 이루어진다는 것이다. 위 논문은 비동기 네트워크에서 하나의 fail-stop failure 노드만 있어도 이 합의가 이루어질 수 없다는 것을 보였다. 이를 FLP impossibility라고 부른다.

Consensus in the presence of partial synchrony

첫 번째 논문이 비동기 네트워크에서 safety와 liveness를 보장하는 합의 알고리즘이 불가능하다는 FLP impossibility를 보였다. 그래서 이 논문은 partial synchronous model을 만들어 특정한 가정 아래서 safety와 liveness를 같이 보장하는 합의 알고리즘을 만들 수 있게 해줬다. Partial synchronous model은 메시지가 언젠가는 도착하는 것을 보장하지만 그 도착하는 시간이 언제인지 알 수 없는 모델이다.

The Byzantine generals problem

Byzantine failure라는 용어의 어원이 된 논문이다. 이 논문 이전 논문은 기껏해야 메시지가 드랍되는 omission failure 정도밖에 가정하지 않았다. 하지만 이 논문 이후로 악의적인 참여자에 의해 시스템이 공격당하는 경우도 고려하게 됐다.

Reaching Agreement in the Presence of Faults

어떤 시스템이 f개의 byzantine failure node가 있을 때 3f + 1개의 노드로 구성된 네트워크에서 byzantine fault tolerant(a.k.a. BFT)한 합의가 가능하다는 것을 증명한 논문이다. 3f + 1은 BFT 시스템을 구성하기 위한 최소한의 노드 수이기도 하다.

Practical Byzantine fault tolerance

위 논문은 BFT 시스템을 Network File System에서 적용했다. 내가 아는 한은 BFT 알고리즘을 인터넷 규모에서 실제로 사용하는 시스템에 적용한 최초의 논문이고, 여기서 사용된 알고리즘들이 현재 블록체인에 사용되는 BFT 계열 합의 알고리즘들의 근간이 됐다.

Blockchain Consensus Protocols in the Wild

블록체인에서 유명한 합의 알고리즘들을 partial synchronous model에서 safety와 liveness, 그리고 얼마나 많은 byzantine failure node를 버틸 수 있는지 분석했다.

Byzantine Consensus Algorithm

텐더민트에서 사용하는 합의 알고리즘에 대해서 설명한 위키 페이지다. 텐더민트는 BFT에 stake 개념을 섞어 블록체인에서 사용할 수 있도록 만들었다. 특히 여기서 말하는 Proof of Lock Change(a.k.a. PoLC) 개념은 잘 이해해두는 것이 좋다. 보통 BFT 계열 합의 알고리즘을 최적화하려는 사람들이 PoLC에서 문제가 생겨 safety와 liveness에 문제가 생긴다.

Casper the Friendly Finality Gadget

현재 이더리움에서 진행 중인 프로젝트 중 하나로 PoW로 생성된 블록체인에 safety, 블록체인 용어로는 finality를 보장하기 위한 프로토콜이다. 기본적인 방법은 텐더민트에서 사용된 개념과 유사하다. 하지만 충분한 투표를 모으지 못하면 새 블록이 생성되지 않는 텐더민트와는 다르게 캐스퍼는 finality를 보장하지 못 할뿐 블록은 계속 생성된다.

Hot-Stuff the Linear, Optimal-Resilience, One-Message BFT Devil

캐스퍼에 영향을 받아 쓰인 논문으로 캐스퍼를 더 일반화시켰다. 캐스퍼는 블록 생성과 투표와 완전 별개로 진행된다. 하지만 Hot-stuff에서는 블록의 헤더에 투표를 모은다. 다만 이 투표는 반드시 포함해야 하는 것이 아니고 투표가 없어도 블록은 생성된다.

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