Autobahn

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BFT 내 트레이드오프: 레이턴시 vs. 견고성

현대의 비잔틴 장애 허용(Byzantine Fault Tolerant, BFT) 합의 프로토콜은 일반적으로 부분 동기(partial synchrony) 모델에서 동작합니다. 이 모델은 어떤 시점 이후에는 네트워크가 안정되며 메시지 지연 시간이 유한하게 유지된다는 가정에 기반합니다. 이 모델은 프로토콜 설계에 있어 실용적으로 작용해 왔지만, 실제 운영 환경에서는 장기간 상태를 안정적으로 유지하기 어렵습니다. 대신 시스템은 지속적인 동기 구간과 간헐적인 장애(예: 레이턴시 증가, 노드 장애, 공격적 조건 등)를 반복적으로 겪습니다. 이러한 일시적 장애를 “블립(blip)” 이라고 합니다. 이러한 조건 하에서, 기존 합의 프로토콜은 안정적인 네트워크 환경에서의 저지연성과 장애 발생 시의 견고성 사이에서 선택을 강요받습니다.

• PBFT, HotStuff와 같은 전통적인 view 기반 BFT 프로토콜은 네트워크가 안정되어 있을 때 좋은 반응성을 갖추도록 최적화되어 있습니다. 그러나 블립이 발생하면 성능이 급격히 저하되며, 이 성능 저하의 여파로 네트워크가 회복된 후에도 백로그된 요청들이 누적되어 트랜잭션 처리가 지연될 수 있습니다.
• Narwhal & Tusk/Bullshark와 같은 DAG 기반 BFT 프로토콜은 데이터 전파(DAG)와 합의(BFT)를 분리하여, 트랜잭션을 비동기적으로 각 레플리카에 전파합니다. 이러한 설계는 높은 처리량을 가능하게 하며, 네트워크 장애 중에도 시스템이 계속 진행(progress)할 수 있도록 합니다. 하지만 비동기 정렬 메커니즘의 복잡성으로 인해, 안정된 상황에서도 높은 레이턴시를 보이는 경향이 있습니다.

Autobahn은 이러한 두 설계 철학을 연결하는 새로운 접근 방식을 제시합니다. Autobahn은 DAG 기반 프로토콜의 높은 처리량 및 블립 내성(blip tolerance)과, 전통적인 view 기반 합의의 낮은 레이턴시를 결합합니다. Autobahn의 핵심은 데이터 전파 계층이 합의의 진행 여부와 무관하게 지속적으로 제안을 네트워크 속도로 전파하는 고도로 병렬화된 구조입니다. 이를 기반으로 Autobahn은 낮은 레이턴시의 부분 동기 합의 프로토콜을 운영하며, 데이터 레이어 위에 올라가는 경량 스냅샷을 참조하여 프로포절을 커밋합니다. Autobahn의 결정적인 특징은, 블립 이후에도 성능 저하 없이 복구가 될 수 있다는 점입니다. 이러한 속성은 “seamlessness“라 불리며, 네트워크가 안정화되면 누적된 트랜잭션 백로그를 재처리 없이 즉시 커밋할 수 있도록 보장합니다. 데이터의 가용성과 순서 정렬을 명확히 분리하고, 프로토콜에 의한 동기화 지연을 방지함으로써, Autobahn은 현실적 블록체인 환경에서 강력하면서도 반응성이 뛰어난 합의 기반을 제공합니다.

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Autobahn 아키텍처 개요

Autobahn은 두 핵심 계층 - 데이터 전파 계층과 합의 계층의 책임을 명확히 분리한 구조 위에 설계되어 있습니다. 이러한 분리는 Narwhal과 같은 DAG 시스템에서 영감을 받았으며, Autobahn은 여기에 seamlessness와 낮은 레이턴시를 지원하기 위한 확장을 더했습니다. 데이터 전파 계층은 클라이언트 트랜잭션을 확장 가능하고 비동기적인 방식으로 브로드캐스트하는 역할을 합니다. 각 레플리카는 각자 트랜잭션 묶음을 전파하는 별도의 ‘차선(lane)’을 가지고 있으며, 이는 합의 상태와 무관하게 독립적으로 전파 및 인증될 수 있습니다. 각 차선은 합의가 지연되더라도 지속적으로 유지되므로, 시스템은 항상 클라이언트에게 반응성을 유지합니다. 이 위에서 Autobahn은 PBFT 스타일의 부분 동기 합의 계층을 운영합니다. 여기서 Autobahn은 각 트랜잭션 묶음이 아닌, 모든 데이터 차선의 ‘최신 상태 요약(tip cuts)’에 대해 합의를 수행합니다. 이러한 설계는 임의의 큰 데이터셋도 단일한 과정으로 커밋할 수 있게 하며, 블립의 영향을 최소화합니다. 데이터와 합의를 강하게 결합하여 리더가 실패하면 멈추는 Hotstuff나, DAG 순회 및 데이터 동기화로 인해 높은 커밋 레이턴시를 겪는 Bullshark와 비교했을때, Autobahn은 더 유연하고 빠른 합의 경험을 제공합니다. 즉, Autobahn은 DAG의 병렬화 속성을 가져가면서 레이턴시 단점은 개선한 구조입니다.

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데이터 전파 계층: 차선과 Car

Autobahn에서는 각 레플리카가 자신만의 차선(Lane) 에 트랜잭션을 제안합니다. 각 데이터 프로포절은 다른 레플리카 노드들의 승인(Acknowledgment)과 함께 묶여 하나의 ‘Car’(Certification of Available Request)를 형성합니다. 이 Car들은 최소 하나의 레플리카 노드가 해당 데이터를 들고 있다는 데이터 가용성 증명(Proof of Availability, PoA) 역할을 수행합니다. 각 Car는 이전 Car를 참조하여 체인처럼 연결되므로, 차선의 최신 블록을 검증하는 것만으로도 차선 전체의 데이터 가용성을 간접적으로 증명할 수 있습니다. 이러한 형태의 연쇄적인 가용성 증명은 즉각적인 참조를 가능하게 합니다. 여기서 즉각적인 참조란, 합의 계층이 DAG 순회 없이도 최신 상태 요약(tip cut, 현재 차선 헤드의 벡터)을 참조할 수 있으며, 모든 이전 데이터에 접근할 수 있음을 알 수 있다는 의미입니다. 일반적인 DAG 프로토콜과 달리, Autobahn은 글로벌 가용성과 비중복성을 보장하기 위한 비용이 많이 드는 신뢰 가능한 브로드캐스트 단계를 피합니다. 대신, 최소한의 조율만을 사용하고, PoA(Proof of Availability)마다 하나 이상의 정직한 복제본이 데이터를 보유하고 있다고 신뢰합니다. 이를 통해 가변적인 부하나 부분적인 장애 상황에서도 높은 처리량과 낮은 지연 시간을 유지할 수 있습니다. 데이터 계층은 합의와 독립적으로 계속 진행되며, 일시적인 장애(blip) 상황에서도 시스템의 반응성을 보장합니다.

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합의 레이어: 저지연 동의

Autobahn의 합의 계층은 기존 PBFT 원칙을 기반으로 하지만, 레이턴시 감소 및 원활한 복구를 위한 핵심 최적화 메커니즘을 도입합니다. 각 합의 슬롯은 모든 레플리카의 차선에서 가장 최신의 인증된 제안들을 요약한 “tip cut”을 커밋 대상으로 삼습니다. 합의 리더는 이 tip cut을 2단계 커밋 프로세스(Prepare → Confirm)를 통해 제안합니다. Prepare 단계에서는, 레플리카들이 제안된 tip cut에 투표합니다. 리더가 빠르게 정족수(quorum)만큼의 투표를 받으면, Fast Path로 진입하여 세 단계의 메시지 레이턴시 안에 커밋할 수 있습니다. 만약 투표를 빠르게 모으지 못했다면, Confirm 단계로 넘어갑니다. 여기서는 다시 레플리카들의 승인을 모아 여섯 단계의 메세지 레이턴시 내에 커밋을 완료합니다. Autobahn의 핵심 혁신은, 데이터 동기화와 합의 투표의 분리입니다. 레플리카들은 전체 프로포절 데이터를 받지 못하였더라도, 인증된 tip에 대해서만 투표할 수 있습니다. PoA가 데이터 가용성을 보장해주기 때문에, tip에 대해서만 투표하더라도 안전하다고 볼 수 있는 것입니다. 동기화는 병렬로 진행되어 실행 단계 전에 완료되고, 이를 통해 프로토콜이 멈추는 것을 방지할 수 있습니다. 리더 실패 혹은 타임아웃의 경우, 타임아웃 인증서(timeout certificate)를 이용해 뷰 변경(view change)을 트리거하는 방식으로 새 리더가 작업을 이어갈 수 있습니다.

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Autobahn의 핵심 속성

Autobahn은 BFT 프로토콜이 제공해야 하는 표준적인 안전성(safety) 과 생존성(liveness) 보장을 충족합니다. 안전성은 두 개의 올바른 레플리카가 같은 슬롯에 대해 서로 다른 블록을 커밋하는 일이 없음을 보장하며, 생존성은 글로벌 동기화 시간(Global Stabilization Time, GST) 이후, 올바른 리더가 선정되면 합의가 진행됨을 보장합니다. Autobahn의 가장 중요한 속성은 seamlessness입니다. 이 특성 덕분에 합의 레이어는 임의의 크기를 가진 백로그도 상수 시간 안에 커밋할 수 있고, 프로토콜 성능 저하를 막습니다. 블립이 발생하더라도 이후 네트워크가 안정화되면, 성공적으로 전파된 모든 제안은 즉시 커밋됩니다. 이를 통해 Autobahn은 간헐적 장애 환경에서도 부드럽게 동작하며, 회복 속도와 반응성 측면에서 전통적인 BFT 프로토콜을 능가합니다. 또한, 프로토콜은 수평 확장성을 가집니다. 각 레플리카는 자신의 차선을 통해 전체 처리량에 기여하며, 합의 스냅샷(consensus cut) 역시 참여자 수에 따라 자연스럽게 확장됩니다. 이는 높은 성능과 견고함을 모두 요구하는 대규모 블록체인 배포에 적합합니다.

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낮은 레이턴시와 높은 복원력의 조화

Autobahn은 주요 BFT 프로토콜인 Bullshark 및 HotStuff와 비교 테스트되었습니다. 테스트 환경은 이상적인 조건과 장애 삽입 조건 모두를 포함합니다. 결과적으로 Autobahn은 모든 테스트에서 가장 좋은 결과를 달성했습니다: Autobahn은 Bullshark 수준의 처리량(초당 230,000건 이상)을 유지하면서, 레이턴시는 50% 이상 감소시켰습니다. 좋은 네트워크 환경에서, Autobahn은 3~6개의 메시지 레이턴시만으로 트랜잭션을 커밋하며, 이는 Bullshark의 12개 메시지 레이턴시보다 훨씬 낮습니다. 실제로 Autobahn은 약 280ms, Bullshark는 590ms 이상의 커밋 지연이 측정되었습니다. 또한 HotStuff는 블립 이후 백로그 처리로 인해 장시간 성능 저하가 발생하지만, Autobahn은 네트워크 안정화 즉시 전체 백로그를 단일 스텝으로 커밋합니다. 리더 실패나 부분적인 네트워크 분할 시에도 Autobahn은 데이터를 계속 전파하며, 합의 재개 후 누적된 프로포절들을 빠르게 커밋합니다. 이러한 성능 상의 이점은 낮은 레이턴시와 높은 처리량 및 장애 허용성을 결합하려는 블록체인 플랫폼에 Autobahn이 매우 좋은 선택지임을 보여줍니다.

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추가 자료

더 많은 기술적 상세 내용은 다음 문서를 참고하세요:

• Autobahn: Seamless high speed BFT