차세대 분산 트랜잭션 합의 알고리즘

목차

본 블로그 글에서는 차세대 분산 트랜잭션 합의 알고리즘에 대해 심층적으로 다룹니다. 기존 합의 알고리즘의 한계를 극복하고, 확장성, 성능, 보안성을 향상시킨 최신 기술 동향을 분석합니다. 특히, Paxos, Raft 등의 전통적인 알고리즘의 개선된 형태와 혁신적인 새로운 합의 방식들을 비교 분석하여, 분산 시스템 설계에 실질적인 도움이 될 정보를 제공하고자 합니다.

분산 트랜잭션 개요

분산 트랜잭션은 여러 노드에 걸쳐 데이터 변경 작업을 수행하는 트랜잭션을 의미합니다. 하나의 트랜잭션이 여러 시스템에 영향을 미치므로, 모든 시스템이 일관된 상태를 유지하는 것이 중요합니다. 이를 위해 ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability) 속성을 보장해야 합니다. Atomicity는 트랜잭션이 전부 성공하거나 전부 실패해야 함을 의미하며, Consistency는 트랜잭션 수행 전후에 데이터베이스의 무결성이 유지됨을 의미합니다. Isolation은 동시에 실행되는 트랜잭션들이 서로에게 영향을 주지 않아야 함을 의미하며, Durability는 트랜잭션이 성공적으로 완료되면 그 결과가 영구적으로 보존되어야 함을 의미합니다.

기존 합의 알고리즘 한계

Paxos와 Raft는 분산 시스템에서 널리 사용되는 합의 알고리즘이지만, 몇 가지 한계점을 가지고 있습니다. Paxos는 이해하기 어렵고 구현이 복잡하다는 단점이 있으며, Raft는 Paxos보다는 이해하기 쉽지만, 리더 선출 과정에서 성능 저하가 발생할 수 있습니다. 또한, 두 알고리즘 모두 네트워크 지연에 민감하며, 높은 트래픽 환경에서는 성능이 저하될 수 있습니다. Byzantine Fault Tolerance (BFT) 알고리즘은 악의적인 노드가 존재하는 환경에서도 합의를 보장하지만, 높은 통신 비용으로 인해 확장성이 제한됩니다.

PBFT와 Tendermint

Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT)는 BFT 알고리즘의 한 종류로, 비잔틴 노드가 존재하는 환경에서도 안전하게 합의를 이룰 수 있습니다. PBFT는 요청, pre-prepare, prepare, commit 단계를 거쳐 합의를 달성하며, 일정 수 이상의 정상 노드가 존재하면 악의적인 노드의 공격을 막을 수 있습니다. Tendermint는 PBFT를 개선한 합의 알고리즘으로, 블록체인 네트워크에서 널리 사용됩니다. Tendermint는 투표 과정을 단순화하고, 합의 속도를 향상시켜 더 높은 확장성을 제공합니다. 또한, Tendermint는 Application Blockchain Interface (ABCI)를 통해 다양한 애플리케이션과 쉽게 통합될 수 있습니다.

HotStuff와 LibraBFT

HotStuff는 leader-based 합의 알고리즘으로, PBFT의 복잡성을 줄이고 성능을 향상시킨 알고리즘입니다. HotStuff는 optimistic pipelining 기술을 사용하여 병렬적으로 합의를 진행하며, leader failure 발생 시에도 빠르게 복구할 수 있습니다. LibraBFT는 Facebook의 Libra 블록체인을 위해 개발된 합의 알고리즘으로, HotStuff를 기반으로 설계되었습니다. LibraBFT는 높은 처리량과 낮은 지연 시간을 목표로 하며, 금융 거래에 적합한 안정성과 보안성을 제공합니다. 두 알고리즘 모두 leader rotation을 통해 leader의 단일 실패 지점 문제를 해결하고, fault tolerance를 향상시켰습니다.

최신 합의 알고리즘 동향

최근에는 분산 시스템의 확장성과 성능을 극대화하기 위한 새로운 합의 알고리즘들이 연구되고 있습니다. 대표적인 예로, DAG (Directed Acyclic Graph) 기반의 합의 알고리즘이 있습니다. DAG 기반 알고리즘은 트랜잭션을 그래프 형태로 연결하여 병렬적으로 처리하므로, 높은 처리량을 달성할 수 있습니다. 또한, Federated Byzantine Agreement (FBA) 알고리즘은 중앙 집중화된 노드 없이도 합의를 이룰 수 있도록 설계되어, 탈중앙화된 환경에 적합합니다. FBA는 각 노드가 신뢰하는 노드들의 집합을 구성하고, 이를 통해 합의를 달성합니다. 이러한 최신 알고리즘들은 기존 합의 알고리즘의 한계를 극복하고, 더욱 확장 가능하고 효율적인 분산 시스템을 구축하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.

합의 알고리즘 선택 기준

분산 시스템을 설계할 때 합의 알고리즘을 선택하는 것은 매우 중요한 결정입니다. 합의 알고리즘의 선택은 시스템의 성능, 확장성, 보안성에 큰 영향을 미치기 때문입니다. 합의 알고리즘을 선택할 때는 다음과 같은 요소들을 고려해야 합니다. 먼저, 시스템의 fault tolerance 요구 사항을 고려해야 합니다. Byzantine fault tolerance가 필요한지, crash fault tolerance만으로 충분한지를 결정해야 합니다. 다음으로, 시스템의 처리량과 지연 시간 요구 사항을 고려해야 합니다. 높은 처리량이 필요한지, 낮은 지연 시간이 중요한지를 판단해야 합니다. 또한, 시스템의 확장성을 고려해야 합니다. 노드 수가 증가함에 따라 성능이 저하되지 않는 알고리즘을 선택해야 합니다. 마지막으로, 알고리즘의 복잡성과 구현 용이성을 고려해야 합니다. 이해하기 쉽고 구현하기 쉬운 알고리즘을 선택하는 것이 유지보수 측면에서 유리합니다.