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비잔틴 장애 허용: 안전성, 활성, 정족수

비잔틴 장애 허용은 임의 장애가 있어도 분산 프로토콜이 안전성과 활성을 유지하는 조건을 설명한다. 프로토콜, 네트워크 모델, 장애 한도, 정족수 규칙, 가중치, 최종성 조건과 복구 경로를 함께 평가해야 한다.

업데이트

프로토콜 분석을 위한 교육 자료일 뿐입니다. BFT 명칭이나 정족수 임계값만으로 안전성, 활성, 올바른 실행, 탈중앙화, 최종성 또는 자산 안전이 입증되지는 않습니다.

직접 답변

비잔틴 장애 허용(BFT)은 명시된 장애 모델과 네트워크 모델 아래 특정 분산 프로토콜이 갖는 속성이다. 일부 참여자가 중단되거나, 메시지를 보내지 않거나, 상대마다 모순된 메시지를 보내거나, 그 밖의 임의 행동을 해도 선언된 보장을 지킨다. BFT는 하나의 알고리즘이 아니며 모든 네트워크 분할 중 모든 서비스가 계속 가용하다는 뜻도 아니다.

보장은 구분해야 한다. safety(안전성)는 정직한 참여자가 서로 충돌하는 값을 결정하지 않는다는 뜻이고, liveness(활성)는 적격 입력이 결국 결정으로 이어질 수 있다는 뜻이며, validity(유효성)는 결정할 수 있는 값을 제한한다. 통신이나 정직한 투표력이 부족할 때 안전성을 지키려고 멈추는 프로토콜도 있다. 합의가 올바르다고 해서 애플리케이션 코드, 거래 유효성 규칙, 브리지, 키 또는 거버넌스까지 올바른 것은 아니다.

인증된 부분 동기 BFT 프로토콜의 흔한 부류에서는 n=3f+1개 복제본이 최대 f개의 비잔틴 복제본을 허용하고 커밋 인증서에 q=2f+1표를 쓴다. 익숙한 “장애는 3분의 1 미만”, “정족수는 3분의 2 초과”라는 표현은 이 모델에서 나온다. 동기 프로토콜, 무작위 비동기 프로토콜, 충돌 장애 프로토콜, 작업증명 체인 및 다른 BFT 구성은 전제와 임계값이 다를 수 있다.

지분 가중 시스템의 임계값은 프로토콜이 정의한 투표력을 가리키며 검증자 수, 주소 수, 사람 수 또는 독립 운영자 수와 반드시 같지 않다. 비율을 적용하기 전에 정확한 프로토콜 버전, 가중치 스냅샷, 결정 유형, 네트워크 전제, 정족수 비교 연산자(> 또는 >=), 장애 행동을 밝혀야 한다.

임계값 미만
25%
공격자 비율
25%
임계값까지 여유
8.4%

결과는 교육용 근사치입니다. 명시되지 않는 한 거래소 규칙, 세금, 지연, 오라클 동작 및 프로토콜별 조건은 포함하지 않습니다.

작동 방식

  1. 결정 대상을 정의한다. 노드가 거래 순서를 정하는지, 블록을 커밋하는지, 체크포인트를 최종화하는지, 리더를 선출하는지, 상태 전이를 승인하는지, 포크를 선택하는지 확인한다. 이 결정들은 서로 바꿔 쓸 수 없다.
  2. 시스템과 공격자 모델을 명시한다. 구성원 자격, 인증, 권한 변경, 투표 가중치, 적응형 장악, 키 침해, 이중 투표, 충돌 장애, 메시지 손실, 검열, 서비스 거부, 장애의 상관 가능성을 기록한다.
  3. 네트워크 모델을 명시한다. 동기, 부분 동기, 비동기를 구분한다. 부분 동기에서는 알 수 없는 전역 안정화 시점 이후에만 무엇이 보장되는지와 타임아웃 조정 방식을 확인한다.
  4. 정족수 규칙을 도출한다. 프로토콜의 정확한 임계값과 잠금 또는 투표 규칙을 사용한다. 고전적인 n=3f+1 조건에서 두 2f+1 정족수는 적어도 f+1개의 복제본에서 겹친다. 비잔틴 복제본이 최대 f개라면 교집합에는 정직한 복제본이 있다.
  5. 모든 단계와 인증서를 추적한다. 제안, 투표, 잠금, 뷰 또는 라운드 변경, 커밋, 포크 선택과 복구 규칙을 검증한다. 노드가 높이, 라운드, 값, 부모, 도메인, 구성원 시기와 선행 인증서를 검증할 때만 서명된 초다수에 의미가 있다.
  6. 안전성과 활성 증거를 분리한다. 모든 관련 시점에서 어떤 충돌 결정이 배제되는지 증명한 뒤, 통신과 정직한 참여 전제가 성립하면 진행이 재개되는지 시험한다. 타임아웃은 스케줄링 도구이지 침묵한 피어가 악의적이라는 증거가 아니다.
  7. 구현과 운영을 검증한다. 증명 모델에 맞춰 클라이언트 다양성, 키 보관, 서명기 장애 조치, 재전송 방지, 상태 동기화, 증거 처리, 구성원 변경, 모니터링, 애플리케이션 확인 정책과 사고 복구를 점검한다.

FLP 결과는 완전 비동기 모델에서 단 하나의 프로세스라도 충돌할 가능성이 있으면 결정적 합의 프로토콜이 종료를 보장할 수 없다고 말한다. 안전성이 불가능하다거나 분산 합의가 전혀 작동할 수 없다는 뜻은 아니다. 부분 동기성, 무작위성, 장애 감지기, 경제적 전제 또는 약한 보장은 그 특정 불가능 조건을 바꾸는 서로 다른 방법이다.

계산 예시

1. 동일 가중치 복제본 네 개

n=4, f=1, q=3이라고 하자. 세 표 집합 두 개는 적어도 3+3-4=2개 복제본에서 겹친다. 비잔틴 복제본이 최대 하나이므로 교집합에는 정직한 복제본이 적어도 하나 있다. 프로토콜의 정직한 노드 규칙이 관련 높이와 라운드 이력에서 충돌 값에 투표하지 못하게 하면 충돌하는 커밋 인증서 두 개가 함께 만들어질 수 없다.

복제본 두 개가 오프라인이면 2표만 남아 q=3 인증서를 만들지 못한다. 이는 활성 장애이지 자동으로 안전성 장애가 되는 것은 아니다. 안전하게 설계된 프로토콜은 로컬에서 임계값을 낮추지 않고 기다린다.

2. 동일 가중치 복제본 일곱 개

n=7, f=2, q=5라고 하자. 두 정족수는 적어도 5+5-7=3=f+1개 복제본에서 겹친다. 비잔틴 복제본이 최대 2개이므로 교집합에는 정직한 복제본이 있다. 비잔틴 복제본 두 개만으로는 다섯 표 인증서를 만들 수 없지만, 세 개가 오프라인이거나 투표를 보류하면 4표만 남아 진행을 막을 수 있다.

임계값 계산은 필요조건이지만 충분조건은 아니다. 정직한 구현이 잘못된 높이의 표를 받고, 구성원 집합을 재사용하고, 잠금 규칙을 어기거나, 침해된 키로 서명하면 증명의 전제가 배포 시스템과 맞지 않는다.

3. 가중 투표력

검증자 가중치가 40, 30, 20, 10, 합계 100이고, 인증서가 엄격히 2/3 초과, 여기서는 최소 67을 요구한다고 하자. 40+30=70 연합은 인증서를 만들 수 있지만 30+20+10=60은 네 검증자 중 셋이어도 만들 수 없다. 가중치 40인 검증자가 오프라인이면 60만 남아 최종성이 멈춘다.

최소 67인 집합 두 개는 적어도 67+67-100=34에서 겹친다. 따라서 충돌 인증서는 최소 34 가중치가 두 집합에 모두 참여했거나 다른 프로토콜 전제가 실패했음을 뜻한다. 일부 프로토콜에서는 3분의 1을 약간 넘는 이중 투표만으로 안전성을 깨뜨릴 수 있으므로 “공격에는 3분의 2가 필요하다”는 보편적 최저선이 아니다.

4. 부분 동기성과 타임아웃

복제본 네 개가 라운드 타임아웃으로 1 s, 2 s, 4 s, 8 s를 차례로 쓴다고 하자. 알 수 없는 안정화 시점 전에는 메시지가 매번 현재 타임아웃 뒤에 도착해 결정 없이 라운드가 바뀔 수 있다. 네트워크 안정 후 지연이 3 s 미만이면 4 s 이후 라운드에서 다른 전제도 충족되는 한 정직한 제안자와 정족수가 메시지를 교환하고 진행할 시간이 생긴다.

이 숫자는 결국 진행하는 모습을 설명할 뿐 보편적 타임아웃 공식이 아니다. 너무 짧으면 불필요한 뷰 변경이 생기고 너무 길면 복구 지연이 늘어난다. 안전성은 안정화 전에 올바른 지연 상한을 맞히는 데 의존해서는 안 된다.

위험과 검토 실패

모델과 증명

  • 프로토콜, 버전, 결정, 장애 모델, 네트워크 모델, 구성원 규칙, 임계값을 밝히지 않고 “BFT”라고만 한다.
  • 다른 전제로 증명된 프로토콜을 포함한 모든 분산원장에 n=3f+1 또는 3분의 1 비율을 적용한다.
  • 안전성, 활성, 유효성, 가용성, 일관성, 최종성, 포크 선택과 거래 정확성을 같은 뜻으로 취급한다.
  • 결정적, 완전 비동기, 종료 보장이라는 조건을 유지하지 않은 채 FLP가 합의를 불가능하게 만들었다고 주장한다.
  • 프로토콜이 지분, 위임 가중치, 위원회, 에포크 또는 다른 자원을 세는데 노드나 주소를 센다.
  • “3분의 2”를 모호하게 반올림하거나 구현이 >, >=, 정수 가중치, 어느 분모 스냅샷을 쓰는지 무시한다.
  • 정족수 크기만 확인하고 교집합, 잠금, 인증서, 뷰 변경, 재구성 및 상태 이전을 확인하지 않는다.
  • 증명 없이 모델이 적응형 장악, 키 도난, 상관 장애, 서비스 거부 또는 장거리 이력까지 다룬다고 가정한다.

구현과 운영

  • 체인, 도메인, 높이, 라운드, 값, 부모, 구성원 시기와 메시지 유형에 묶이지 않은 서명을 받는다.
  • 오래된 표나 인증서를 라운드, 높이, 포크, 네트워크, 업그레이드 또는 검증자 집합 변경을 넘어 재전송한다.
  • 이중 서명, 잠금 후퇴, 안전하지 않은 서명기 장애 조치 또는 활성 복제본 둘의 동일 검증자 신원 공유를 허용한다.
  • 타임아웃 만료를 악의의 증거로 보고 로컬 시계만으로 안전성에 중요한 결정을 내린다.
  • 공통 클라이언트, 클라우드, 지역, 네트워크, 하드웨어, 키 관리 또는 운영자가 만드는 상관 장애를 무시한다.
  • 슬래싱이 장애를 예방하고 활성을 복구하며 확정된 애플리케이션 동작을 되돌리고 모든 피해자를 보상한다고 가정한다.
  • 정상 작동만 시험하고 분할, 지연과 순서 변경, 이중 투표, 제안자 장애, 재시작과 구성원 변경을 시험하지 않는다.

애플리케이션과 거버넌스

  • 결정적 실행과 상태 전이 검증 없이 합의로 커밋된 값을 유효한 애플리케이션 상태로 취급한다.
  • 애플리케이션이 요구하는 정확한 최종성 조건 전에 입금을 반영하고 브리지 자산을 발행하거나 거래를 결제한다.
  • 키 침해, 소프트웨어 장애 또는 거버넌스 개입 후의 사회적 비가역성과 프로토콜 최종성을 같게 본다.
  • 다른 사용자의 블록이 계속 최종화된다는 이유로 검열과 포함 지연을 무시한다.
  • BFT 명칭이나 광고된 검증자 수에서 탈중앙화, 자산 안전, 토큰 가치 또는 법적 집행 가능성을 추론한다.

흔한 오해

  • BFT라면 네트워크는 절대 멈추지 않는다. 많은 BFT 프로토콜은 장애가 너무 많거나 네트워크가 분할될 때 안전성을 지키려고 의도적으로 활성을 포기한다.
  • 정직한 참여자가 51%를 넘으면 항상 충분하다. 임계값은 프로토콜에 따라 다르며 고전적인 부분 동기 BFT는 진행에 관련 투표력의 3분의 2 초과를 흔히 요구한다.
  • 안전성을 깨려면 공격자가 항상 3분의 2를 가져야 한다. 3분의 2는 혼자 인증서를 만들 수 있지만, 흔한 정족수 설계의 충돌 초다수 인증서 둘은 3분의 1을 조금 넘는 이중 투표를 드러낼 수 있다.
  • 검증자 주소를 늘리면 자동으로 장애 허용이 좋아진다. 공동 소유, 위임 가중치, 클라이언트, 인프라, 키와 장애 영역이 독립 장애 능력을 결정한다.
  • 슬래싱이 BFT 증명이다. 슬래싱은 일부 PoS 시스템의 경제적 대응이며, 안전성은 규칙과 전제에서 나오고 벌칙은 외부 결과를 되돌리지 않는다.

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