3、分布式共识与容错机制

分布式共识与容错机制

1. 引言

共识的目标是提高系统的可靠性。分布式系统中的不可靠性主要源于两个方面：一是通信渠道，例如消息可能会延迟、重复、丢失或乱序；二是节点，比如节点可能崩溃或恶意行事，恶意行为包括向不同节点发送不一致的消息、篡改其他节点发送的消息、窃取网络流量等。

根据故障模型，分布式系统可分为故障停止系统和拜占庭容错系统。在故障停止系统中，通信渠道可能不可靠，但节点的行为是可预测的，它们要么正常工作，要么停止工作。而在拜占庭容错系统中，通信渠道和节点都是不可靠的。

Paxos和Raft是容忍故障停止失败的共识协议，广泛用于协调集群中的计算机，因为集群通常由单个实体控制，因此没有拜占庭故障。然而，这些协议不适用于基于区块链的系统，在该系统中节点可能会任意失败（拜占庭故障）。传统的拜占庭容错共识协议，如实用拜占庭容错（PBFT），需要节点之间进行消息交换，并且随着网络的增长，这种通信开销会迅速增加。比特币的中本聪共识可以说是第一个能够扩展到10,000个节点的拜占庭容错共识协议。

尽管中本聪共识允许数万个节点参与共识过程，但随着更多节点加入网络，系统性能并不会提高，这也是大多数共识协议（即使不是全部）面临的常见问题。目前，寻找高吞吐量和低延迟的共识协议是一个热门的研究课题。

2. 分布式共识

形成共识组的计算机可以建模为复制状态机（RSM），不同处理器上的状态机以相同的顺序执行完全相同的确定性命令，因此产生相同的结果。实现这一点的一种方法是采用复制日志，每个命令必须在复制到所有日志后才能执行，因此只要日志相同，状态机就会处于相同的状态。执行命令“set x as 4”涉及以下五个步骤：
1. 客户端