白话讲解,拜占庭将军问题

本篇内容介绍了“白话讲解,拜占庭将军问题”的有关知识,在实际案例的操作过程中,不少人都会遇到这样的困境,接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧!希望大家仔细阅读,能够学有所成!

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白话讲解,拜占庭将军问题

作为服务端开发的同学,你可能听说过Paxos、Raft这类分布式一致性算法,也在工作中使用过ZooKeeper、etcd等工具来解决一致性问题。但你可能不知道,这些算法和工具解决的并不是一致性中最难的问题,要讨论这个最难的问题,这就要追溯到 Leslie Lamport 1982 年发表的著名论文 《拜占庭将军问题》(The Byzantine Generals Problem )上了。

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综上所述,我们可以得出一个结论:在拜占庭三个将军中出现一个叛徒,并且叛徒可以任意伪造消息的情况下,只要叛徒头脑清醒,他就始终无法被发现,甚至还能造成整个系统的信任危机。

根据这一结论进一步推导可以得出一个更通用的结论,如果存在 m 个叛徒将军,那么当将军总数小于或等于 3m 时(n <= 3m,m代表叛徒将军个数),叛徒便无法被发现,整个系统的一致性也就无法达成。

3.3 叛徒是否可被抓?

从上面的结论,可以看出,忠诚将军的人数是叛徒人数 2 倍的时候,依然不能找出叛徒,那么再多一个忠诚的将军呢?

为了简化问题,接下来假设有 4 个拜占庭将军,分别是A、B、C、D,其中有一个是叛徒。我们依然秉承找出叛徒的关键,即判断哪个将军发送了不一致的消息。

也就是说,接下来就是和其他接收到消息的将军进行信息的同步判断:是否收到的消息不一致。

现在,将问题再进一步简化,暂不需要考虑整个投票的过程,只需要考虑一个将军向其他三个将军各发送了一条命令,忠诚将军能否对这个命令达成一致的情况,为了区分发送命令的将将军和接收消息的将军,我们将发送命令的将军称为发令将军(M),将接收命令的将军称为副官(S)。

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考虑下面两个问题:

  • 那么剩下的三个副官能不能通过相互间的信息同步找到叛徒?

  • 或者所有忠臣间达成一致,不让叛徒的分裂想法得逞呢?

这时候就出现了两种情况:

  • 发令将军是叛徒 ;

  • 副官里有叛徒。

Case1:发令将军是叛徒

假设D是叛徒,向A和B发送了进攻,向C发送了撤退。现在,我们切入到A的视角

A问B和C:“我从D那里收到的消息是进攻,你从D那里收到的是什么呢?”

B说是进攻,C说是撤退。

此时,从A的视角来看,C和D对同一条消息的说法是不一致的,那么他们两个人中肯定有一个是叛徒,但是A无法判断的是:

  • D给不同人发送了不一致的消息;

  • 还是C伪造了D的消息。

好在,由于A知道最多只有一个叛徒存在。

那么根据反证法,如果B也是叛徒,就有两个叛徒存在,那么B肯定不是叛徒。

那么A和B至少在D发送的是进攻这一消息上,达成了一致,两者选择都是进攻。

B也是同样的情况,现在A和B彼此建立了信任,而同样是忠诚副官的C,最终则和真正的叛徒D被一同怀疑。

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Case2:副官里有叛徒

假设C是叛徒,D给三个副官都发送了进攻,那么叛徒C应该怎样同步D的消息,才能分裂忠诚的发令将军和忠诚副官间的关系呢?

如果将D的消息原样转发出去,那么这一想法实施后也就无法再去当叛徒了。如果给A与B均发送和D相反的撤退消息,那么就回到了前文所讲的第一种情况,A和B认为D发送的是进攻,发送消息的D也认为自己发送的消息是进攻,忠臣们行动上又一次达成了一致。

然而,为了给系统增加更多的混乱,叛徒C决定再次发送不一致的消息,告诉B自己从D收到的是进攻,告诉A自己从D收到的是撤退。这种情况下,B看到所有人都认为D是进攻,会傻傻地认为大家是个团结一致的集体,没有叛徒。而A会发现C和D中出现了一个叛徒,不过A也再次可以确认B是自己人。此时,A决定再和B同步一轮消息,看看C是不是说了两个不一致的消息,这种情况下,叛徒C就完全暴露了。

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由此可见,在多了一个忠臣的情况下,叛徒需要处处小心,才能避免被发现。与此同时,忠臣们即便在存在混乱信息的情况下,行动上也依旧达成了一致。根据推理,我们可以推导出一个结论:当忠臣的个数为 2m + 1 时,他们可以容忍 m 个叛徒产生的破坏。


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