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分布式系统指南

来源： 互联网时间：2019-01-12 09:35:02
对于刚进入区块链领域的人来说，往往会对区块链技术感到非常困惑。理解该技术实际上相当简单的，但需要了解一些适当的背景知识。此外，大多数人其实并不需要真正了解区块链的具体内部运作方式，而只需了解一些背景知识和指南。在这篇文章中，我将简要介绍分布式系统（Distributed System），讨论各种共识协议、网络模型的类型以及其他一些相关的想法。对于想要了解这个领域的行业术语的人来说，这篇文章也可以算是一个指南，但我不会谈及太过晦涩难懂的细节内容。

01 时光倒流

分布式系统（Distributed Systems）是一个非常广泛的领域，为了便于理解，我将重点谈及该领域的共识方面。让我们把时间追溯到上世纪80年代。当时有一批非常聪明的计算机科学家正视图回答这一问题：如何才能让一组机器就某条消息（message）达成一致呢？我还是先来解释一下这个问题吧，因为这个问题似乎问得有点奇怪。假设你有一个数据库，可以用来存储一些非常重要的数据（比如银行需要存储的财务信息）。由于这些数据决不能丢失，因此你会即刻尝试在很多其他的机器上复制存储这些数据，这些机器分别是m0，m1…mn。这样一来，如果其中任何一台机器出故障了，你也不会担心找不回数据。为了搭建这个系统，我们可以采用最直观的方式，即：将其中一台机器指定为“首领（leader）”（假设由m0来担任leader这个角色），其他的机器为“追随者（followers）”。

如此一来，任何时候需要处理一笔新的客户交易时（如从Bob账户中扣除$10），leader机器将发出指令要求所有followers机器去执行这笔交易。这听起来很棒，可是我们会面临一个新的问题。

首先，如果leader机器m0发出指令要求m3机器从Bob的账户中扣除$10，但这条消息（message）发送失败了，并没有传递给m3，这怎么办呢？这真是很糟糕！我们无法再依靠m3机器来存储数据了，因为现在m3机器上存储了与其他机器上不一致的数据（inconsistent data）。要知道：不一致数据的出现就意味着，系统中有些机器中存储的数据与其他机器中存储的数据不一样，而它们本该是一样的！

02 确认消息

上述问题的一个基本解决方案是，确保m3机器已经收到消息。这就会涉及到了一个原子提交协议，即二阶段提交（2PC，Two-Phase-Commit）。之所以称之为原子提交协议，是因为这其中的理念是，如果需要提交事务（transaction），要么提交给系统中的所有机器，要么不提交给任何一台机器（…是的，我知道，这讲不太通）。想象一下：机器m0并不会盲目地从客户端接收消息并将消息传递给其他机器，m0还会确保其他复制机在接收到消息之后会向m0确认自己已收到了该条消息。这很有道理，但是如果其中的某机器（假设是m6）出故障了，而其他的机器已经从Bob的账户中扣除了$10，这该怎么办呢？别担心，回滚（rollback）就可以了！在两阶段提交协议中，系统一般包含两类机器（或节点）：一类为协调者（coordinator），通常一个系统中只有一个；另一类为事务参与者（cohorts），一般包含多个，在数据存储系统中可以理解为多个数据副本。

顾名思义，两阶段提交协议由两个阶段组成。在正常的执行下，这两个阶段的执行过程如下所述：

阶段1：请求阶段（commit-request phase，或称表决阶段，voting phase）

在请求阶段，协调者将通知事务参与者准备提交或取消事务，然后进入表决过程。在表决过程中，参与者将告知协调者自己的决策：同意（事务参与者本地作业执行成功）或取消（事务参与者本地作业执行故障）。

阶段2：提交阶段（commit phase）

在该阶段，协调者将基于第一个阶段的投票结果进行决策：提交或取消。当且仅当所有的参与者同意提交事务时，协调者才通知所有的参与者提交事务，否则协调者将通知所有的参与者取消事务。参与者在接收到协调者发来的消息后将执行响应的操作。

如下图所示：

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03 引入共识

精明的读者可能已经注意到我们构建的2PC / 3PC存在一些漏洞，比如，如果leader机器出现故障，则涉及到需要进行更换leader。但除此之外，还有一些更为紧迫的缺陷。（备注：3PC即三阶段提交（Three-phase commit），它是为解决两阶段提交协议的缺点而设计的，详情请参考：http://www.hollischuang.com/archives/681首先，如果我们在系统中引入了另一个leader机器（假设是m1），会发生什么呢？我们需要这么做，以应对m0可能出现故障。但是，这会导致协调问题的出现，因为存在两个leader机器。假设Bob发送了两笔交易，其中一笔T1是“从Bob账户中扣除$10”，另一笔T2是“从Bob账户中扣除$20”，而Bob账户中恰好总共只有$20，这就麻烦了！机器m0也许会将T1发布到网络中，而机器m1可能将T2发布出去。系统中的其他followers机器将根据这些操作的顺序来验证这两笔交易，并会出现不一致的状态（inconsistent states）。验证后，Bob账户里面还剩$10还是$0？就分布式系统而言，这真是太糟糕了！

其次，假设我们能够解决上文提到的leaders机器之间的协调问题。可是如果一些followers机器（节点）出现故障，那该咋办呢？要知道，这正是我们想要摆脱的问题。当有些节点出问题了，我们该怎么做呢？

如果我们静静等待这些节点重新上线，那我们可能面临一些效率问题，尤其是需要通过人为操作才能恢复某些服务器的时候。而如果我们选择忽视一些出故障的机器（节点），那我们应该忽视几台机器呢？更重要的是，假设某些机器恢复了，但它们的硬盘驱动器却因此而遭到了破坏（数据遭到损坏），这又该如何是好呢？虽然这些机器依旧会运行协议，但它们无法成功地将数据写入硬盘中。

预测种种这些问题都是很麻烦的，因此我们需要一个正在强劲的东西，能够忽视所有这些问题，只要保证一定数量的机器能够正常运行即可！就分布式系统而言，这真是太棒了。

上述这些问题（以及其他的问题）将我们带入了第一个共识协议 Paxos。这也让我们回到了最开始的那个问题：如何才能让一组机器就某条消息达成一致呢？由Leslie Lamport发明的Paxos是一种应对计算崩溃故障（crash fault）问题的共识协议。我不会深入讲解Paxos的运行方式，因为其中的细节实在是让人畏惧。

但是从更高的层面来看，Paxos其实是很好理解的：只要大多数的机器（节点）接受某个提议（proposal），则这将保证系统中所有的机器都不会出现不一致的状态。这是很神奇的，你只需要知道这点就可以了。

04 拜占庭容错

其实，这种应对机器故障的模型就是当前诸多数据中心（data centers）使用的模型。如果任何企业正在部署一个基于共识协议的分布式应用（distributed application），那该企业很有可能是在使用诸如Paxos这样的共识协议来作为应对机器故障的问题。等等，那如果机器遭到黑客攻击了，该咋办呢？大多数企业都认为这不会发生，且平心而论，通过结合VPN（虚拟专用网络）、防火墙和其他的安全机制可能使黑客攻击基本上不太可能发生。但如果我们真的想要在遭受黑客攻击时保护自己，那么我们需要一个共识协议来应对系统中可能出现的（一台或多台）机器“说谎”的情况。这就引入了拜占庭式容错（BFT）。为何叫拜占庭式呢？因为这个问题是Lamport在一个思维实验中提出的，一些拜占庭将军们面临的问题，他们被敌人的战线分开来了，但是依旧需要进行相互沟通来制定进攻/撤退计划。

05 一些行业术语

读到这，你也许会问“好吧，难道了解分布式系统只需要知道系统可能出现的机器（节点）故障问题（crash-fault）和拜占庭容错（BFT）就足够了吗？”差不多就是这样的。你真的没必要自找麻烦地去理解那些形式多样的各种共识协议，但你应该了解其中的一些基本分类：1. Failure models 失效模型 

  • 机器故障：当机器（节点）出现故障时，共识协议就用于解决机器可能出现的状态不一致问题。
  • 拜占庭容错：机器不仅可能出现故障，还可能会“撒谎”。 

2. Network models 网络模型： 

  • 同步（Synchronous）：我们不仅需要考虑机器会出现的各种故障问题，也要考虑网络通信的类型。在通信同步模型中，我们假设的是所有运行正常的节点（机器）都将在特定的时间内发送和接收消息。比如，你可以假定每条消息需要在5秒钟/分钟/小时内发送出去。
  • 异步（Asynchronous）：这是同步的对立面。即便对于运行正常的节点（correct nodes）来说，消息通信延迟问题依旧可能存在。这种情况带来的结果是：你无法判定到底是节点出现故障了，还是节点没有故障，只是需要长时间才能回应。
  • 部分同步（Partially Synchronous）：这种模型介于同步和异步之间。意思就是，存在一个上界（upper bound），但是这个上界并非被所有节点所知。我认为这种通信模型与实际的广域网通信（即互联网）非常相似。这只是我的个人观点哈，如果不同意见，欢迎反馈！

3. Message models 消息模型：

我将只考虑一种类型的消息模型：已验证的通信（authenticated communication），即各节点将对消息进行签名，任何人都可以验证来自某个其他节点的消息是真实可信的。

4. Guarantee models 保证模型：

这个命名有点奇怪，但我觉得这可以更好地描述该情况。

  • 非概率性（Non-probabilistic）：如果某个共识协议是非概率性的，就意味着该协议可以保证安全性（没有概率分布），只要一定数量的节点运行正常即可。
  • 概率性（Probabilistic）：如果某个共识协议是概率性的，那我们将自动引出一个概率分布（probability distribution）。通常来说，这种模型只能在1-ϵ的概率之间保证安全性，其中ϵ是系统设计人员选择的某个值。比如，一个概率性协议可能只保证99%的安全，即便一定数量的节点运行正常。记住这一点，这很重要！
06区块链…或者，我真的不在乎你是谁
好的，我们先来回顾一下。共识协议实质上就是一些算法，这些算法允许我们在很多可能不信任的机器上部署一个数据库（也就是说，这些机器不相信任何一台机器会说真话，但相信大多数机器会说真话）。在我们选择共识协议时，需要考虑到我们可能做出的各种假设，无论该协议是否处于同步设置，或者该协议是否会保证绝对安全或只是概率性地保证安全。当我在上文中介绍Paxos时，我提到了节点对事务提交（proposals）进行投票。实际上，投票机制是唯一一种使用了数十年的机制。这种机制对于大多数情况都是适用的。

然而，假如我想公开地部署一个数据库，使任何人都可以加入并向系统提出交易（propose transactions）。此时会出现一个很大的问题：如果我允许任何人都可以进入我的系统，我将无法区分谁是谁。我不知道是谁正在参与进来。从根本来说，在过去，没有身份信息的共识是不可能实现的，但中本聪出现之后就不一样了。

比特币网络解决了这个问题。中本聪的绝妙观点在于，我们可以使用另一种机制来代替投票机制，即工作量证明机制（PoW）。比特币是首个实现不需要设想参与到网络中的到底是谁的共识协议。由于不需要确认身份，这使得可以很好地在一个无需许可的情况下部署比特币网络。

在比特币网络中，任何人都无需通过其他节点的允许便可加入该网络。在比特币网络中，节点不需要投票，而是提交附有砝码的值（propose values），该砝码就是工作量证明（PoW），用于解决一个加密难题（cryptographic puzzle）。所有的proposals都是联系在一起的，由这些proposals组成的最重的链（而非最长的链）构成了一个“正确的”历史记录。这就是比特币。

最后一点：比特币适合上文中所提到的哪一种模型？比特币使用的是拜占庭容错模型，该网络的通信是同步的，消息由密钥持有者进行验证，且保证模型是概率性的，就是说这条链是可以随时通过分叉进行复原的。换句话说，你可以接受“现在Bob的账户中只剩$10”，而你出错的几率很小。

这就是分布式系统的基本内容。在此基础上，你可以进入区块链世界了。

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