6、容错分布式传感器网络算法解析

容错分布式传感器网络算法解析

1. 分布式系统与核心问题

在自动化系统中，可靠性和准确性是至关重要的特性。传感器集成，尤其是包含某种融合方式的集成，对于众多关键系统的自动化运行十分必要。自动化控制系统中的冗余传感器构成了一种分布式系统。分布式计算的一个关键优势在于为计算增加了新的完整性维度，独立处理器网络进行的计算对单个硬件故障不敏感。

然而，分布式系统也面临一些问题，主要包括：
- 确定网络能够容忍多少组件故障。
- 网络如何分离正常运行机器的输出并保证可靠性。
- 网络如何区分正常机器和故障机器的输出。

核心问题是：在存在错误数据的情况下，自动化系统如何确保做出正确决策？这在很大程度上取决于系统的准确性（结果与期望结果之间的距离）和系统的精度（返回值范围的大小）。

为了以算法方式解决这个问题，主要有传感器融合和拜占庭协议两种方法。

2. 拜占庭将军问题

拜占庭将军问题源于一个虚构的场景：拜占庭军队围攻一座城市，军队总司令有多个部队分布在城市周围，每个部队由一位将军指挥。总司令知道许多将军和信使是叛徒，效忠于敌军。他必须命令所有将军要么进攻要么撤退。将军们可以通过信使相互讨论决策。如果所有忠诚的军队遵循忠诚总司令的命令，他们有很大的成功机会；但如果一部分军队进攻而另一部分撤退，他们将面临失败。

这个问题直接适用于分布式计算，可重新表述为：一个由 $N$ 个独立处理元素（PE）组成的系统，最多有 $\tau$ 个可能出现故障。我们需要开发一个协议，保证对于任何处理器 $X$ 广播的所有消息：
- 非故障处理器就从 $X$ 接收的数据内容达成一致。