합의 알고리즘에 대한 이해

분산 시스템에서 합의 알고리즘은 여러 노드들이 하나의 일관된 결정을 내리도록 하는 메커니즘이다. 분산 시스템은 다양한 노드들이 협력하여 작업을 수행하므로, 데이터의 일관성과 신뢰성을 유지하기 위해 합의 알고리즘이 필요하다.

 

합의 알고리즘은 비잔틴 결함이 없다고 가정하는데 비잔틴 결함이 뭘까?

 

비잔틴 결함은 분산 시스템에서 발생할 수 있는 가장 심각한 유형의 결함 중 하나이다. 이는 시스템 내 일부 노드가 실패할 때, 단순히 작동을 멈추는 것이 아니라 의도적으로 잘못된 정보를 보내거나 예측할 수 없는 방식으로 행동하여 전체 시스템의 동작을 방해하는 것을 의미한다. 그렇다면 합의 알고리즘에서 비잔틴 결함이 없다고 가정해도 될까?

비잔틴 결함의 발생 원인

비잔틴 결함은 다양한 원인으로 발생할 수 있다. 첫째는 악의적인 공격이다. 해커가 시스템의 일부 노드를 장악하여 잘못된 정보를 퍼뜨릴 수 있다. 둘째, 소프트웨어 버그이다. 코드 오류나 잘못된 업데이트로 인해 노드가 비정상적으로 작동할 수 있다. 셋째로 하드웨어 결함이다. 메모리 손상이나 프로세서 오류로 인해 노드가 잘못된 데이터를 전송할 수 있다. 마지막으로 네트워크 공격이다. 중간자 공격과 같은 네트워크 공격으로 인해 통신 내용이 변조될 수 있다.

비잔틴 결함이 없다고 가정하는 이유

대부분의 합의 알고리즘은 비잔틴 결함이 발생하지 않는다고 가정하는데, 그 이유는 다음과 같다.

1. 신뢰할 수 있는 환경: 많은 시스템은 신뢰할 수 있는 환경에서 운영된다. 기업 내부의 폐쇄된 네트워크나 특정 권한을 가진 사용자만 접근할 수 있는 시스템에서는 비잔틴 결함의 발생 가능성이 낮다.
2. 비잔틴 장애 허용 알고리즘의 복잡성: 비잔틴 장애 허용 알고리즘은 구현이 복잡하고 많은 자원을 소모한다. PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)와 같은 알고리즘은 많은 메시지 교환과 높은 계산 비용을 요구하여 시스템 성능을 저하시킬 수 있다.
3. 대부분의 시나리오에서는 필요하지 않음: 많은 실용적인 시나리오에서는 비잔틴 결함을 고려하지 않아도 큰 문제가 발생하지 않는다. 예를 들어, 중앙화된 클라우드 서비스나 기업 내부 시스템에서는 비잔틴 결함이 발생할 가능성이 매우 낮다.
4. 다른 보안 메커니즘 사용: 비잔틴 결함이 발생할 가능성이 있는 환경에서는 다른 보안 메커니즘을 사용하여 이를 완화할 수 있다. 암호화, 접근 제어, 침입 탐지 시스템 등을 통해 비잔틴 결함의 영향을 줄일 수 있다.

 

비잔틴 결함은 다양한 원인으로 발생할 수 있으며, 그 발생 가능성도 무시할 수 없다. 그러나 대부분의 합의 알고리즘은 비잔틴 결함이 발생하지 않는다고 가정하여 설계된다. 이는 성능과 복잡성의 trade-off를 고려한 결과이다. 비잔틴 결함이 발생할 가능성이 높은 환경에서는 비잔틴 장애 허용 알고리즘을 사용하는 것이 중요하다. 하지만 일반적인 환경에서는 비잔틴 결함을 고려하지 않더라도 안정적인 시스템 운영이 가능하다.

 

Paxos

Paxos는 분산 시스템에서 합의를 이루기 위한 알고리즘이다.  Paxos의 주요 목표는 여러 노드가 하나의 값을 합의하도록 보장하는 것이다. Paxos는 다음과 같은 단계로 구성된다:

1. 제안(Proposal): 제안자가 제안을 생성하고, 그 제안을 수락자들에게 전송한다.
2. 수락(Acceptance): 수락자들은 제안을 수신하고, 그 제안을 수락할지 여부를 결정한다.
3. 확정(Commitment): 충분한 수의 수락자가 제안을 수락하면, 그 제안은 최종적으로 확정된다.

Paxos는 고장 허용성을 갖추고 있어, 일부 노드가 실패하더라도 시스템이 정상적으로 동작할 수 있다. 하지만 Paxos는 구현이 복잡하고 이해하기 어려운 단점이 있다.

 

Raft

Raft는 Paxos의 대안으로 제안된 합의 알고리즘으로, 이해하기 쉽고 구현이 간단하다. Raft는 리더 선출, 로그 복제, 안전성 보장을 통해 합의를 이루는 방식이다. Raft의 주요 단계는 다음과 같다:

1. 리더 선출(Leader Election): 클러스터 내에서 리더를 선출하여 중앙 집중식 관리를 한다.
2. 로그 복제(Log Replication): 리더는 클라이언트의 요청을 수신하고, 이를 다른 노드들에게 복제하여 일관성을 유지한다.
3. 안전성 보장(Safety): 모든 변경 사항은 리더를 통해서만 이루어지며, 리더는 로그의 일관성을 보장한다.

Raft는 구현이 비교적 간단하고, 설명이 명확하여 실제 시스템에 많이 사용되고 있다.