HotStuffコンセンサスアルゴリズムの詳細
HotStuffコンセンサスアルゴリズムは、ビザンチン耐障害性をベースとした分散コンセンサスアルゴリズムで、Raftアルゴリズムに似たリーダー選出とログレプリケーションの仕組みを採用し、PBFTアルゴリズムに似たステートマシンレプリケーションの仕組みを組み合わせて、高スループットと低遅延を実現した。
HotStuffコンセンサスアルゴリズムの基本的な仕組みは以下の通りです。
- リーダー選出：HotStuffアルゴリズムでは、Raftアルゴリズムと同様のリーダー選出の仕組みを使用しています。初期状態では全てのノードが候補者であり、互いに投票を送信し合ってリーダーを選出します。あるノードが過半数のノードから投票を受け取ると、そのノードがリーダーとなり、他のノードに対してハートビートメッセージを送信してリーダーの地位を維持します。リーダーがダウンしたり、ネットワークの障害でノードがリーダーと通信できない場合、他のノードが新しいリーダーを再選出することができます。
- 提案作成と投票: どのノードも提案を作成してリーダーに送信できます。リーダーは受け取った提案を自分のログに追加し、他のノードが投票できるように、提案の概要、シリアル番号などの情報を含む予備準備メッセージを他のノードに送信します。他のノードは予備準備メッセージを受け取ったら、提案の正当性を確認し、リーダーに予備準備OKメッセージを送信して提案に同意します。リーダーは大多数のノードから予備準備OKメッセージを受け取ったら、提案の正式なコミットを開始できます。
- リーダーによって、ほとんどのノードに合意が得られた提案が他のノードに送られ、ほとんどのノードからの承認メッセージを待つ。リーダーがほとんどのノードからの承認メッセージを受信すると、提案は状態マシンにコミットされて実行され、その実行結果が他のノードに送られる。他のノードは、実行結果を受信すると、その結果を自分たちの状態マシンにコミットして実行する。
- フォールトトレランス：HotStuff コンセンサスアルゴリズムでは、PBFT アルゴリズムと同様のフォールトトレランスメカニズムを採用しています。つまり、大部分のノードが正常に動作していて、ネットワーク遅延があまりにも高くなければ、一貫性とセキュリティが保証されます。少数派のノードがダウンしたり、ネットワーク障害でメッセージが失われたりしても、システムは正常に動作し続けます。
HotStuff合意アルゴリズムは、リーダーの選出、提案の作成と投票、提案の複製と実行などの手順を用いて、分散システムのコンセンサスと安全性を提供しています。高スループット、低遅延性、ノードの障害やネットワークの障害への耐性を備えています。そのため、HotStuffはブロックチェーンや分散データベースなどの分野に幅広い応用が期待されています。
