PBFT 확장성 향상을 위한 분산 환경에서의 결함 노드 판단 및 대응 방법

Abstract

PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerant)는 분산 네트워크 환경에서 비의도적·의도적 장애를 일정 수준 허용하여 전체 네트워크의 합의를 달성할 수 있는 합의 알고리즘으로 높은 성능과 절대적 최종성을 보장한다. 그러나 합의 과정에서 발생하는 메시지 전송량으로 인해 네트워크의 규모가 증가할수록 부하가 기하급수적으로 증가한다. 또한, PBFT를 개선하고자 한 선행연구는 블록체인의 트릴레마인 탈중앙화, 확장성, 보안성을 동시에 해결할 수 없다는 한계가 있다. 본 연구에서는 PBFT의 확장성 향상을 위한 분산 환경에서의 결함 노드 판단 및 대응 방법에 대해 제안하였다. 제안 방법은 PBFT 합의 과정에서 발생하는 메시지를 수집하여 노드의 신뢰도를 판단하고, 신뢰도에 따라 소규모 위원회를 구성하여 합의를 진행하였다. 우선순위에 기반한 선별적 합의 참여 기회를 제공하여 확장성을 개선하고, 결함 노드로 인한 지연을 막아 가용성을 향상시킬 수 있다. 또한, 분산 환경에서 별도의 대표자를 선출하지 않고 위원회를 구성하여 탈중앙화의 특성도 보존할 수 있다. 본 논문에서는 PBFT와 제안 방법의 지연시간, 처리량, 합의 성공률을 평가하였다. 평가 결과에 따르면, 제안 방법은 시간에 따른 인과 관계가 있는 결함 환경에서 결함에 효과적으로 대응하였다. 또한, 결함이 없는 환경에서는 제안 방법보다 PBFT가 효과적이지만, 결함 있는 환경에서 지연시간을 0.026s, 처리량을 833Mbps 빠르게 개선하였으며, 합의 성공률도 향상됨을 확인하였다.|PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerant) is a consensus algorithm that can achieve the consensus of the entire network by resolving unintentional and intentional faults in a distributed network environment, guaranteeing high performance and absolute finality. However, the load increases exponentially as the size of the network increases due to the amount of messages transmitted during the consensus process. In addition, previous studies aimed at improving PBFT have limitations in that they cannot simultaneously solve the trilemma of blockchain: decentralization, scalability, and security. In this paper, a method for determining and responding to faulty nodes in a distributed environment for improving the performance of PBFT is proposed. The proposed method collects messages generated during the PBFT consensus process to determine the reliability of the node, and organizes a small committee according to the reliability level to proceed with the consensus. Scalability can be improved by providing an opportunity to participate in selective consensus based on priority, and availability can be improved by preventing delays caused by faulty nodes. In addition, the characteristics of decentralization can be preserved by forming a committee without electing a separate representative in a distributed environment. In this paper, latency, throughput, and consensus success rate of PBFT and the proposed method were evaluated. According to the evaluation results, the proposed method effectively responded to defects in a defect environment with a causal relationship over time. In addition, although PBFT is more effective than the proposed method in a faultlessness environment, it was confirmed that the delay time was improved by 0.026 s and the throughput by 833 Mbps, and the consensus success rate was also improved in a fault environment.