PBFT(실용 비잔틴 장애 허용) 알고리즘에 대해 알아보자

 

PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance, 실용 비잔틴 장애 허용) 알고리즘은 분산 네트워크에서 비잔틴 장애(Byzantine Fault)를 견딜 수 있도록 설계된 합의 알고리즘입니다. PBFT는 1999년 미겔 카스트로(Miguel Castro)와 바바라 리스코프(Barbara Liskov)에 의해 제안되었으며, 노드 간의 신뢰가 없는 상황에서도 일관성 있고 정확한 합의를 이루기 위해 고안되었습니다. 이 알고리즘은 비잔틴 장군 문제를 해결할 수 있는 실용적인 방법으로 평가되며, 분산 데이터베이스, 블록체인 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다.

1. PBFT 알고리즘의 목적

PBFT의 목적은 분산 네트워크의 다수 노드가 악의적이거나 오류를 일으킬 때에도 전체 네트워크가 신뢰할 수 있는 합의를 이룰 수 있도록 하는 것입니다. 이는 비잔틴 장애를 견디기 위해 모든 노드들이 정확한 상태 정보를 공유하고, 공통의 합의를 이루는 것이 핵심입니다.

2. 비잔틴 장애와 PBFT의 필요성

PBFT는 비잔틴 장군 문제를 해결하기 위한 현실적이고 효율적인 합의 알고리즘입니다. 비잔틴 장애는 네트워크의 일부 노드가 오류가 있거나 또는 악의적인 행위를 하여 전체 네트워크의 합의 과정을 방해할 때 발생하는 문제를 의미합니다.

• 비잔틴 장애의 유형:
  • 정상 노드에게 거짓된 정보를 전파.
  • 트랜잭션 데이터를 변조하여 잘못된 블록을 전파.
  • 메시지 전송을 지연시키거나 전송을 중단하여 혼란을 초래.

PBFT는 네트워크의 일부가 비정상적인 행동을 하더라도, 나머지 정직한 노드가 올바른 합의에 도달하도록 설계되었습니다. PBFT는 f 개의 비잔틴 장애가 존재할 때, 최소 3f + 1 개의 노드가 필요합니다. 이 규칙에 따라, f 개의 악의적인 노드를 견디려면 전체 네트워크의 2/3 이상의 노드가 정직해야 합니다.

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3. PBFT의 작동 원리

PBFT는 고정된 다수의 노드가 네트워크에 참여하며, 노드 간의 메시지 교환을 통해 합의를 이루는 알고리즘입니다. PBFT는 크게 프리프리페어(Pre-Prepare), 프리페어(Prepare), 커밋(Commit)이라는 3단계 합의 과정을 거쳐 블록이 최종 확정됩니다.

3.1 PBFT의 주요 단계

PBFT의 주요 단계(request, pre-prepare, prepare, commit, reply)

PBFT는 각 단계마다 모든 노드가 메시지를 교환하며, 다수결 합의에 도달하게 됩니다. 각 노드는 클라이언트로부터 요청을 받고, Primary 노드(리더 노드)가 블록 제안을 한 후, 다른 Replica 노드(검증 노드)가 해당 제안의 정당성을 검증합니다.

3.1.1 Pre-Prepare 단계

1. 클라이언트가 Primary 노드에 요청을 전송합니다.
   • 클라이언트가 트랜잭션 요청을 Primary 노드에 보냅니다.
2. Primary 노드가 Pre-Prepare 메시지를 전송:
   • Primary 노드는 요청을 받은 후, 트랜잭션을 블록으로 생성하고, 다른 Replica 노드들에게 Pre-Prepare 메시지를 보냅니다.
   • Pre-Prepare 메시지에는 요청 ID, 클라이언트 서명, 블록 정보 등이 포함됩니다.
3. 각 Replica 노드가 Pre-Prepare 메시지를 수신:
   • 모든 Replica 노드는 Primary 노드가 보낸 Pre-Prepare 메시지를 수신한 후, 해당 블록의 유효성 검증을 수행합니다.
4. 검증 완료 시 Prepare 단계로 이동:
   • Pre-Prepare 메시지의 검증이 완료되면, Replica 노드는 Prepare 단계로 넘어갑니다.

3.1.2 Prepare 단계

1. Replica 노드들이 Prepare 메시지를 전파:
   • 모든 Replica 노드가 Prepare 메시지를 다른 노드들에게 전파합니다.
   • Prepare 메시지에는 Pre-Prepare 메시지의 해시 값이 포함되어 있어, 모든 노드가 동일한 데이터를 검증하도록 보장합니다.
2. 2f + 1 개의 Prepare 메시지를 수신하면:
   • 각 Replica 노드는 네트워크의 다른 노드로부터 Prepare 메시지를 수신하여, 2f + 1 개의 Prepare 메시지가 모이면 커밋 단계로 이동할 준비를 합니다.
   • 이는 전체 노드의 2/3 이상이 동일한 Prepare 메시지를 수신하고 있다는 것을 의미합니다.

3.1.3 Commit 단계

1. Replica 노드들이 Commit 메시지를 전파:
   • 각 Replica 노드는 Commit 메시지를 생성하여 다른 모든 노드에게 전파합니다.
   • Commit 메시지는 해당 트랜잭션의 해시 값과 블록 ID를 포함합니다.
2. 2f + 1 개의 Commit 메시지를 수신하면:
   • 각 노드는 2f + 1 개의 Commit 메시지를 수신하여, 해당 블록이 최종적으로 합의되었음을 확인합니다.
   • 이는 전체 노드의 2/3 이상이 블록의 유효성을 인정하고, 합의가 성공적으로 이루어졌음을 의미합니다.
3. 블록이 네트워크에 추가:
   • 합의가 완료되면, 해당 블록이 체인에 추가되고, 클라이언트 요청이 완료되었음을 클라이언트에게 알림으로 보냅니다.

3.2 PBFT의 메시지 흐름

PBFT의 메시지 흐름은 다음과 같이 요약할 수 있습니다:

1. Pre-Prepare: Primary 노드가 Pre-Prepare 메시지를 생성하여 모든 Replica 노드에게 전송.
2. Prepare: 각 Replica 노드가 Prepare 메시지를 생성하고, 모든 노드에게 전송.
3. Commit: 각 Replica 노드가 Commit 메시지를 생성하여 전파하고, 2f + 1 개의 Commit 메시지를 수신하면 합의가 완료.

이 모든 과정에서, 네트워크의 각 노드는 모든 메시지를 서로 교환하며, 이를 통해 각 노드가 동일한 데이터를 수신하도록 보장합니다.

3.3 합의 완료 조건

PBFT는 비잔틴 장애를 견디기 위해 다수결을 사용합니다. 합의가 성공적으로 이루어지기 위해서는 다음의 조건이 충족되어야 합니다:

• 2/3 이상의 노드가 정직해야 함.
• 네트워크의 메시지 손실이 없어야 함.
• f 개의 악의적인 노드가 있어도, 정직한 노드의 수가 2f + 1 이상이어야 함.

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4. PBFT의 장점과 단점

PBFT는 비잔틴 장애를 견딜 수 있는 효율적이고 안정적인 합의 알고리즘이지만, 몇 가지 장단점이 있습니다.

4.1 장점

• 높은 신뢰성: PBFT는 비잔틴 장애를 견딜 수 있어, 네트워크 내 악의적인 노드가 있어도 안정적인 합의가 가능합니다.
• 빠른 합의 시간: 네트워크의 응답 시간이 짧고, 빠른 거래 확정이 가능합니다.
• 최종성(Finality): 합의가 이루어지면 블록의 최종성이 보장되며, 이중 지불이나 네트워크 포크가 발생하지 않습니다.

4.2 단점

• 확장성 문제: PBFT는 노드의 수가 많아질수록 합의 과정이 복잡해지고, 메시지 교환 비용이 급격히 증가합니다.
  • 각 노드가 다른 모든 노드와 메시지를 교환해야 하므로, 노드의 수가 많아질수록 네트워크의 트래픽이
  증가합니다.
• 노드 동적 변경의 어려움: PBFT는 고정된 노드가 있는 네트워크에서 효과적으로 작동하지만, 노드의 동적 추가/제거가 빈번한 네트워크에서는 합의가 어려워집니다.
• 중앙화 위험: PBFT는 소수의 고정된 노드에 의존할 경우, 중앙화의 위험이 존재할 수 있습니다.

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5. PBFT의 실제 사용 사례

PBFT는 높은 신뢰성과 낮은 지연 시간을 제공하기 때문에, 다음과 같은 프로젝트와 시스템에서 사용됩니다:

1. Hyperledger Fabric:
   • Hyperledger Fabric은 프라이빗 블록체인에서 PBFT를 사용하여 기업 간의 신뢰할 수 있는 합의를 제공합니다.
2. Stellar:
   • Stellar는 금융 거래의 신속한 처리를 위해 PBFT 기반의 합의 알고리즘을 사용합니다.
3. Ripple:
   • Ripple은 PBFT의 변형 알고리즘을 사용하여, 금융 거래의 빠른 합의를 목표로 합니다.

PBFT는 금융 시스템과 같이 신뢰성이 중요한 환경에서 널리 사용되며, 악의적인 노드가 존재해도 네트워크의 일관성과 정확성을 보장할 수 있는 강력한 합의 메커니즘입니다.

 

 

6. 관련링크

 

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