[转载] 分布式系统核心问题--拜占庭问题与算法

拜占庭问题(Byzantine Problem)更为广泛,讨论的是允许存在少数节点作恶(消息可能被伪造)场景下的一致性达成问题。拜占庭容错(Byzantine Fault Tolerant,BFT)算法讨论的是在拜占庭情况下对系统如何达成共识。

  1. 两将军问题

在拜占庭将军问题之前,就已经存在两将军问题(Two Generals Paradox):两个将军要通过信使来达成进攻还是撤退的约定,但信使可能迷路或被敌军阻拦(消息丢失或伪造),如何达成一致?根据FLP不可能原理,这个问题无通用解。

  1. 拜占庭问题

拜占庭问题又叫拜占庭将军问题(Byzantine Generals Problem),是Leslie Lamport等科学家于1982年提出用来解释一致性问题的一个虚构模型。拜占庭是古代东罗马帝国的首都,由于地域宽广,守卫边境的多个将军(系统中的多个节点)需要通过信使来传递消息,达成某些一致的决定。但由于将军中可能存在叛徒(系统中节点出错),这些叛徒将努力向不同的将军发送不同的消息,试图干扰共识的达成。拜占庭问题即为在此情况下,如何让忠诚的将军们能达成行动的一致。

论文中指出,对于拜占庭问题来说,假如节点总数为N,叛变将军数为F,则当N≥3F+1时,问题才有解,由BFT算法进行保证。
例如,N=3,F=1时。
提案人不是叛变者,提案人发送一个提案出来,叛变者可以宣称收到的是相反的命令。则对于第三个人(忠诚者)收到两个相反的消息,无法判断谁是叛变者,则系统无法达到一致。

提案人是叛变者,发送两个相反的提案分别给另外两人,另外两人都收到两个相反的消息,无法判断究竟谁是叛变者,则系统无法达到一致。

更一般的,当提案人不是叛变者,提案人提出提案信息1,则对于合作者来看,系统中会有N-F份确定的信息1,和F份不确定的信息(可能为0或1,假设叛变者会尽量干扰一致的达成),N-F>F,即N>2F情况下才能达成一致。

当提案人是叛变者,会尽量发送相反的提案给N-F个合作者,从收到1的合作者看来,系统中会存在(N-F)/2个信息1,以及(N-F)/2个信息0;从收到0的合作者看来,系统中会存在(N-F)/2个信息0,以及(N-F)/2个信息1;另外存在F-1个不确定的信息。合作者要想达成一致,必须进一步对所获得的消息进行判定,询问其他人某个被怀疑对象的消息值,并通过取多数来作为被怀疑者的信息值。这个过程可以进一步递归下去。

Leslie Lamport等人在论文《Reaching agreement in the presence of faults》中证明,当叛变者不超过1/3时,存在有效的拜占庭容错算法(最坏需要F+1轮交互)。反之,如果叛变者过多,超过1/3,则无法保证一定能达到一致结果。

那么,当存在多于1/3的叛变者时,有没有可能存在解决方案呢?

设想F个叛变者和L个忠诚者,叛变者故意使坏,可以给出错误的结果,也可以不响应。某个时候F个叛变者都不响应,则L个忠诚者取多数即能得到正确结果。当F个叛变者都给出一个恶意的提案,并且L个忠诚者中有F个离线时,剩下的L-F个忠诚者此时无法分别是否混入了叛变者,仍然要确保取多数能得到正确结果,因此,L-F>F,即L>2F或NF>2F,所以系统整体规模N要大于3F。
能确保达成一致的拜占庭系统节点数至少为4,此时最多允许出现1个坏的节点。

3.拜占庭容错算法

拜占庭容错算法(Byzantine Fault Tolerant,BFT)是面向拜占庭问题的容错算法,解决的是在网络通信可靠但节点可能故障情况下如何达成共识。拜占庭容错算法最早的讨论在1980年Leslie Lamport等人发表的论文《Polynomial Algorithms for Byzantine Agreement》,之后出现了大量的改进工作。长期以来,拜占庭问题的解决方案都存在复杂度过高的问题,直到PBFT算法的提出。

1999年,Castro和Liskov于论文《Practical Byzantine Fault Tolerance and Proactive Recovery》中提出的Practical Byzantine Fault Tolerant(PBFT)算法,基于前人工作进行了优化,首次将拜占庭容错算法复杂度从指数级降低到了多项式级,目前已得到广泛应用。其可以在失效节点不超过总数1/3的情况下同时保证Safety和Liveness。

PBFT算法采用密码学相关技术(RSA签名算法、消息验证编码和摘要)确保消息传递过程无法被篡改和破坏。
算法的基本过程如下:

·首先通过轮换或随机算法选出某个节点为主节点,此后只要主节点不切换,则称为一个视图(View);
·在某个视图中,客户端将请求<REQUEST,operation,timestamp,client>发送给主节点,主节点负责广播请求到所有其他副本节点;
·所有节点处理完成请求,将处理结果<REPLY,view,timestamp,client,id_node,response>返回给客户端。客户端检查是否收到了至少f+1个来自不同节点的相同结果,作为最终结果。主节点广播过程包括三个阶段的处理:预准备(pre-prepare)阶段、准备(prepare)阶段和提交(commit)阶段。预准备和准备阶段确保在同一个视图内请求发送的顺序正
确;准备和提交阶段则确保在不同视图之间的确认请求是保序的:

·预准备阶段: 主节点为从客户端收到的请求分配提案编号,然后发出预准备消息 <<PRE-PREPARE,view,n,digest>,message>给各副本节点,其中message是客户端的请求消息,digest是消息的摘要;
·准备阶段: 副本节点收到预准备消息后,检查消息合法,如检查通过则向其他节点发送准备消息<PREPARE,view,n,digest,id>,带上自己的id信息,同时接收来自其他节点的准备消息。收到准备消息的节点对消息同样进行合法性检查。验证通过则把这个准备消息写入消息日志中。集齐至少2 f+1个验证过的消息才进入准备状态;

·提交阶段: 广播commit消息,告诉其他节点某个提案n在视图v里已经处于准备状态。如果集齐至少2 f+1个验证过的commit消息,则说明提案通过。
具体实现上还包括视图切换、checkpoint机制等,可自行参考论文内容。

    原文作者:SeanC52111
    原文地址: https://www.jianshu.com/p/af21da2ffa34
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