고성능·비잔틴 내성을 위한 RAFT-PBFT 하이브리드 합의 구조의 설계 및 검증

Design and Verification of a RAFT-PBFT Hybrid Consensus Architecture for High Performance and Byzantine Fault Tolerance

분산 시스템에서 높은 처리 성능과 비잔틴 장애 내성을 동시에 만족시키기 위한 하이브리드 합의(Hybrid Consensus) 구조를 제안한다. 제안된 구조는 다수결 기반의 RAFT 알고리즘을 이용하여 각 샤드(shard) 내에서 빠른 초기 합의(temporary agreement)를 수행하고, 소수의 대표 노드로 구성된 PBFT 전역 그룹에서 최종 승인(final approval)을 수행하는 2단계 파이프라인으로 이루어진다. 이를 통해 정상 상황에서는 RAFT 단독 실행과 유사한 높은 처리율과 저지연을 달성하면서, 악의적 노드가 존재할 때는 PBFT 단계가 무결성을 보장한다. 형식적 검증을 위해 Z3/PySMT를 이용한 형식적 검증을 통해 안전성(safety)과 활성(liveness)을 모두 충족함을 확인하였다. 본 연구는 RAFT와 PBFT의 장점을 통합한 새로운 합의 패러다임을 제시하고, 허가형 블록체인·금융 플랫폼·분산 데이터베이스 등 보안과 성능이 모두 중요한 응용 분야에 실용적 대안이 될 수 있음을 보였다.

We propose a hybrid consensus framework that simultaneously achieves high throughput and Byzantine fault tolerance in distributed systems. The proposed structure operates as a two‑stage pipeline: it first uses a majority‑voting RAFT protocol within each shard to obtain a rapid temporary agreement, and then relies on a compact PBFT committee of representative nodes to conduct a global final approval. Under normal conditions, this approach delivers throughput and latency comparable to standalone RAFT, while in the presence of malicious nodes the PBFT stage enforces transaction integrity. Formal verification using Z3/PySMT confirms that both safety and liveness properties are satisfied. Our study introduces a new consensus paradigm that unifies the efficiency of RAFT with the security of PBFT, demonstrating its practicality for permissioned blockchains, financial platforms, and distributed databases where both performance and fault tolerance are critical.