区块链技术：分布式系统

我们在前面的文章中看到，链表为区块链提供了概念基础，其中“区块”是一个数据包，而区块通过某种类型的链接机制（如指针、引用、地址等）串联在一起。在第2部分中，我们将看到这个简单的概念如何产生强大的思想，为分布式系统奠定基础。

当链表中的一个链接或分布式系统中的一台计算机(又名“节点”)响应缓慢、 被黑客攻击或崩溃时，会发生什么?完整的链如何从这样的悲剧事件中恢复?这就引出了分布式系统中的容错概念。一旦对其中一个节点中的数据进行了更改，我们如何确保相同的信息与其他节点一致?这就引入了对协商共识的要求。

将链的类比推进了一步来看，管理链的算法经过精心设计，不会破坏链。也就是说将附加链连接到开始和结束，是一个简单的操作（我们只需要确保标记正确性，表明开始和结束的列表更新是正确的即可）。然而，删除一个链或添加一个链是有点棘手的。当需要删除或插入列表的中间位置时，会有一点复杂，但是对于已知的解决方案来说，这是一个众所周知的问题。我们将不在本文中讨论细节，因为本文的目的不是描述这些操作，而是传达一个高级的历史视角。

在分布式系统中，容错成为一个非常重要的概念。从某种意义上说，它是在一台计算机上管理链表的逻辑扩展。显然，在实际应用中，分布式系统中的每个节点都是经济实体，它们依赖于其他经济实体来实现其目标。系统内的故障必须尽可能地减少。当故障不可避免时，恢复必须尽可能迅速和完整。计算机科学家在20世纪50年代中期开始研究容错方法，结果在捷克斯洛伐克出现了第一台容错计算机SAPO。

除了容错之外，当需要向分布式系统添加信息时(有点像添加、删除或更新链表的元素)，不同的方面必须达成一致。达成协议的原因是，进入“链表”的数据是由这些当事人之间的交易产生的数据。没有协议的话就是一个很混乱的概念举个例子：我的节点会记录我给你发送了90美元，而你的节点只会记录19美元!因此交易双方之间应达成协议。分布式系统中一个更强的要求是，一旦双方同意某件事，在没有另一方或多方同意的情况下，任何一方都不能更改已同意的数据。这一要求的最强版本是“不变性”，在技术上不可能对同意并提交给链的数据进行任何更改。

容错和共识

因此，分布式系统在不同程度上需要不同的容错性、共识性和不变性，这取决于业务需求。容错和协商共识的机制从早期就开始发展。显著的进展是:

· Lamport、Shostak和Pease在1982年开发的拜占庭容错(BFT)，用于处理分布式系统中的一个或多个节点出现故障或恶意的情况。

· 工作量证明(POW)，在1993年首次被描述，这个术语在1999年被创造出来，它是一种为恶意攻击提供经济上的阻碍技术。1992年，Cynthia Dwork和Moni Naor提出了POW的前身，作为一种打击垃圾邮件的手段——早在1992年，这个问题就已经是一个严重的麻烦了!他们的解决方案是要求发件人解决一个计算问题，这个问题对于正常发送电子邮件来说足够简单，但对于发送大量垃圾邮件来说，计算成本就变得非常昂贵。

· Hashcash是一种POW算法，由Adam在1997年提出。2008年，中本聪(Satoshi Nakamoto)将其作为比特币中POW的基础，让更多的人认识到了POW。

· 1999年Miguel Castro 和Barbara Liskov发明了高性能的BFT，称为实用拜占庭容错(PBFT);等等。

· Paxos是一个共识算法家族， Dwork、Lynch和Stockmeyer在1988年的一篇文章中有过描述，并于1998年由Leslie Lamport首次发表。

· Raft consensus算法由Diego Ongaro和John Ousterhout开发。它于2014年发布，旨在成为一个更容易理解的Paxos替代品。

状态机复制(SMR)是容错框架，而协商共识是解决冲突或在状态值上达成一致的一种方法。SMR最早出现在20世纪80年代初，1984年Leslie Lamport发表了一篇很有影响力的论文而被人们知晓。