詳談分布式系統(tǒng)的定義及屬性

分布式系統(tǒng)經(jīng)常讓人覺得云山霧罩，主要是因?yàn)橄嚓P(guān)知識(shí)點(diǎn)比較零散不成體系。但別擔(dān)心，我很清楚這個(gè)有點(diǎn)尷尬的情況。我自學(xué)分布式計(jì)算的時(shí)候，就有很多次完全摸不著頭腦?，F(xiàn)在，經(jīng)歷過很多次嘗試和死磕之后，我終于有信心可以跟大家分享一下有關(guān)分布式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)了。

我還想討論一下區(qū)塊鏈技術(shù)給分布式相關(guān)的學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已然帶來的深遠(yuǎn)影響。區(qū)塊鏈促使工程師和科學(xué)家們重新審視和反思那些在分布式計(jì)算領(lǐng)域已經(jīng)根深蒂固的范式。也許在對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的研究發(fā)展推動(dòng)作用上，沒有什么比區(qū)塊鏈技術(shù)更強(qiáng)有力的了。

分布式系統(tǒng)肯定不能算新技術(shù)了?？茖W(xué)家和工程師們過去數(shù)十年中一直在研究這個(gè)課題。那么區(qū)塊鏈跟分布式系統(tǒng)有什么關(guān)系呢？簡(jiǎn)單地說，如果沒有分布式系統(tǒng)，也就不可能有區(qū)塊鏈帶來的技術(shù)貢獻(xiàn)。

本質(zhì)上，一條區(qū)塊鏈就是一種新型的分布式系統(tǒng)。區(qū)塊鏈自起源于比特幣以來就一直對(duì)分布式計(jì)算領(lǐng)域持續(xù)產(chǎn)生影響。所以想真正搞明白區(qū)塊鏈的運(yùn)行原理，深入理解分布式系統(tǒng)的原理就至關(guān)重要。

但不幸的是，大部分關(guān)于分布式計(jì)算的文獻(xiàn)資料，要么太晦澀艱深，要么散布在不計(jì)其數(shù)的學(xué)術(shù)論文中。更麻煩的是，分布式系統(tǒng)為了滿足不同的需求，可能有多達(dá)上百種不同的架構(gòu)。要把這些都?xì)w納成一個(gè)統(tǒng)一且易于理解的框架的確很困難。

因?yàn)檫@個(gè)領(lǐng)域涉及知識(shí)點(diǎn)太廣，我必須很專注在我力所能及可以講明白的部分。而且我需要一些概括性的描述以便對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜性進(jìn)行簡(jiǎn)化。請(qǐng)注意，我不會(huì)幫你成為這個(gè)領(lǐng)域的專家。但我會(huì)幫你快速入門分布式系統(tǒng)及其共識(shí)機(jī)制。

讀完這篇長(zhǎng)文之后，你應(yīng)該會(huì)對(duì)以下內(nèi)容有更深刻的認(rèn)識(shí)：

什么是分布式系統(tǒng)，

分布式系統(tǒng)的特性，

分布式系統(tǒng)中的共識(shí)意味著什么，

基礎(chǔ)共識(shí)算法（比如 DLS 和 PBFT）以及

為什么中本聰共識(shí)非常重要。

嗯，不作過多解釋了，快上車。

什么是分布式系統(tǒng)？

一個(gè)分布式系統(tǒng)包括一組相互獨(dú)立的進(jìn)程（比如計(jì)算機(jī)），它們互相傳遞消息并進(jìn)行協(xié)作以完成一個(gè)共同的任務(wù)（比如解決一個(gè)計(jì)算問題）。

簡(jiǎn)單的說，一個(gè)分布式系統(tǒng)就是一組計(jì)算機(jī)，它們互相協(xié)作以完成一個(gè)共同的任務(wù)。雖然組成分布式系統(tǒng)的進(jìn)程是相互獨(dú)立的，但整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于終端用戶而言可以看成只是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。

像我之前提到的，分布式系統(tǒng)可以有上百種架構(gòu)。比如，一臺(tái)普通的計(jì)算機(jī)也可以看成是一個(gè)分布式系統(tǒng)：中央處理器，內(nèi)存，輸入輸出都是獨(dú)立的進(jìn)程，互相協(xié)作以完成共同的任務(wù)。

又比如飛機(jī)，下圖中的不同組件協(xié)同工作，載你從A點(diǎn)飛到B點(diǎn)：

-圖片來源：WEETECH -

在這篇文章中，我們將重點(diǎn)看看那些由空間上隔離的計(jì)算機(jī)組成的分布式系統(tǒng)。

-作者制圖-

請(qǐng)注意：我可能會(huì)使用若干術(shù)語表達(dá)與“”進(jìn)程”相同的含義：“節(jié)點(diǎn)”（node、peer），“計(jì)算機(jī)”（computer），“組件”（component）。在這篇文章里它們都是同義詞。類似地，“網(wǎng)絡(luò)”（network）和“系統(tǒng)”（system）在本文中也是同義詞。

分布式系統(tǒng)的特性

每個(gè)分布式系統(tǒng)都有一組特性，如下：

A） 并發(fā)性

進(jìn)程在系統(tǒng)中是并發(fā)運(yùn)行的，即同一時(shí)刻有多個(gè)事件發(fā)生。換句話說，任一時(shí)刻，系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的事件執(zhí)行都是相互獨(dú)立的。

這就需要協(xié)作。

-分布式系統(tǒng)中的時(shí)間，時(shí)鐘和事件排序，來自 Lamport， L （1978）-

B） 全局時(shí)鐘的缺失

分布式系統(tǒng)要能運(yùn)轉(zhuǎn)，我們就需要一個(gè)確定事件排序的方法。但是，由于分布式系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)是空間上隔離且并發(fā)運(yùn)行的，有時(shí)候很難說清楚兩個(gè)事件中哪個(gè)先發(fā)生。換句話說，對(duì)于系統(tǒng)中所有計(jì)算機(jī)而言，沒有一個(gè)統(tǒng)一的全局時(shí)鐘來決定事件發(fā)生的順序。

Leslie Lamport 在他的論文《分布式系統(tǒng)中的時(shí)間，時(shí)鐘和事件排序》里，展示了如何通過以下事實(shí)來決定事件的先后順序：

消息總是先發(fā)送，而后被接收。

每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有事件的排序。

通過確定事件之間的相對(duì)順序（哪個(gè)先發(fā)生，哪個(gè)后發(fā)生），我們就可以得到關(guān)于系統(tǒng)中事件的一個(gè)局部排序（partial ordering）。Lamport 的論文描述了一種算法，要求每臺(tái)計(jì)算機(jī)都監(jiān)聽其它計(jì)算機(jī)。這樣，所有事件就可以根據(jù)這個(gè)局部排序得到全局排序。

但是，如果完全基于每個(gè)獨(dú)立計(jì)算機(jī)監(jiān)聽到的事件進(jìn)行排序，有可能會(huì)碰到這種情況：得出的排序與外部用戶的觀察不一致。所以，論文提到該算法仍然無法完全排除異常情況。最后，Lamport 討論了如何通過適當(dāng)?shù)赝轿锢頃r(shí)鐘避免上述異常。

但是，等一下——這里有個(gè)很重要的前提：協(xié)調(diào)獨(dú)立的時(shí)鐘并使之同步是一個(gè)非常復(fù)雜的計(jì)算機(jī)科學(xué)問題。即使你一開始把一堆時(shí)鐘調(diào)成同步的狀態(tài)，一段時(shí)間后它們的計(jì)時(shí)也會(huì)開始產(chǎn)生偏差。這被稱作“時(shí)鐘偏移”，是一種時(shí)鐘計(jì)時(shí)頻率發(fā)生細(xì)微差別的現(xiàn)象。

實(shí)質(zhì)上，Lamport 的論文證明了：在由空間上隔離的一組計(jì)算機(jī)組成的分布式系統(tǒng)中，時(shí)間和事件排序是導(dǎo)致系統(tǒng)可能出錯(cuò)的障礙根源。

C） 單點(diǎn)可能出錯(cuò)

理解分布式系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于認(rèn)識(shí)到，分布式系統(tǒng)中的組件是會(huì)出錯(cuò)的。這也是分布式系統(tǒng)被稱作“容錯(cuò)分布式計(jì)算”的原因。不出錯(cuò)的系統(tǒng)是不可能存在的。現(xiàn)實(shí)當(dāng)中的系統(tǒng)總是暴露在許多可能的錯(cuò)誤和故障風(fēng)險(xiǎn)之下，這些故障包括程序崩潰；消息丟失、實(shí)真、重放；網(wǎng)絡(luò)隔離導(dǎo)致的消息延遲或丟幀；甚至是進(jìn)程完全失控、惡意發(fā)送消息。

錯(cuò)誤可以被大致分為三類：

崩潰錯(cuò)誤：組件沒有預(yù)警就停止工作（比如計(jì)算機(jī)崩潰了）。

遺漏錯(cuò)誤：組件發(fā)了一個(gè)消息但沒有被別的節(jié)點(diǎn)收到（比如這條消息丟包了）。

拜占庭錯(cuò)誤：組件不按既定規(guī)則工作。這種類型的錯(cuò)誤在可控環(huán)境中不會(huì)發(fā)生（比如谷歌和亞馬遜的數(shù)據(jù)中心），因?yàn)橐话阏J(rèn)為那種環(huán)境中系統(tǒng)里不會(huì)發(fā)生惡意行為。與之相反，拜占庭錯(cuò)誤會(huì)發(fā)生在所謂的“敵對(duì)環(huán)境”中。簡(jiǎn)單來說，當(dāng)一組去中心化的獨(dú)立參與者作為節(jié)點(diǎn)加入某個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)后，這些參與者可以完全不按既定規(guī)則行動(dòng)，也就是說它們可以惡意地更改消息、攔截消息或者根本不發(fā)送任何消息。

了解上述概念后，那分布式系統(tǒng)的目標(biāo)就可以定義為：為一個(gè)存在可能出錯(cuò)組件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)協(xié)議，期望該系統(tǒng)仍然能完成組件的共同任務(wù)并對(duì)用戶提供可用的服務(wù)。

考慮到所有的系統(tǒng)都可能會(huì)出錯(cuò)，那我們建立一個(gè)分布式系統(tǒng)的核心考量就是，它是否可以在部分組件發(fā)生異常（無論是因?yàn)榉菒阂獾男袨楸热绫罎?出錯(cuò)或者遺漏錯(cuò)誤，還是因?yàn)閻阂庑袨楸热绨菡纪ュe(cuò)誤）的情況下繼續(xù)工作。

粗略地說，建立分布式系統(tǒng)有兩種可考慮的模式：

1） 簡(jiǎn)單容錯(cuò)

在一個(gè)簡(jiǎn)單容錯(cuò)系統(tǒng)中，我們假設(shè)系統(tǒng)中所有組件都會(huì)處于以下兩種狀態(tài)中的一個(gè)：要么嚴(yán)格遵循協(xié)議工作，要么不遵循。這種類型的系統(tǒng)可以處理節(jié)點(diǎn)下線或者宕機(jī)的情況。但是它沒法處理不按既定規(guī)則工作或者惡意工作的節(jié)點(diǎn)。

2A） 拜占庭容錯(cuò)

簡(jiǎn)單容錯(cuò)系統(tǒng)在非可控環(huán)境中用處不大。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)由獨(dú)立參與者控制，且通過無需權(quán)限的開放互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信的去中心化網(wǎng)絡(luò)里，我們需要考慮到，網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)惡意節(jié)點(diǎn)（或者說“拜占庭式”節(jié)點(diǎn)）。因此，在拜占庭容錯(cuò)系統(tǒng)中，我們假設(shè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)宕機(jī)或者作惡。

2B） BAR容錯(cuò)

盡管大多數(shù)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都被設(shè)計(jì)成可以容忍拜占庭錯(cuò)誤，有些專家認(rèn)為，這些設(shè)計(jì)太過寬泛，并沒有考慮到所謂的“利己性”出錯(cuò)，即節(jié)點(diǎn)可能因?yàn)槌鲇诤侠淼淖陨砝娑扇阂庑袨?。換句話說，根據(jù)不同的激勵(lì)，節(jié)點(diǎn)可能誠(chéng)實(shí)，也可能不誠(chéng)實(shí)。所以如果激勵(lì)足夠多，甚至可能大部分節(jié)點(diǎn)都會(huì)不誠(chéng)實(shí)。

更正式的定義一下，這就是 BAR 模式-同時(shí)考慮了拜占庭出錯(cuò)和利己性出錯(cuò)的情況。BAR 模式假設(shè)系統(tǒng)中有下列三種參與者：

拜占庭：這種節(jié)點(diǎn)是惡意的并且就是試圖讓你玩完。

利他：始終遵循系統(tǒng)協(xié)議的誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)。

利己：這類節(jié)點(diǎn)只在遵循協(xié)議有利于自身時(shí)才會(huì)遵循。

D） 消息傳遞

如我前述，分布式系統(tǒng)總的計(jì)算機(jī)通過互相之間的“消息傳遞”來溝通和協(xié)作。消息可以通過任何一種消息協(xié)議傳遞，比如 HTTP 或者 RPC，亦或是為特定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一套定制協(xié)議。有兩種消息傳遞的環(huán)境：

1） 同步

在同步系統(tǒng)中，我們假定消息會(huì)在一個(gè)固定且已知的時(shí)間范圍內(nèi)接收到。

同步消息傳遞在概念上更簡(jiǎn)單，因?yàn)橛脩魰?huì)有一個(gè)時(shí)間上的保證：當(dāng)他們發(fā)送某條消息后，接收方會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)收到它。這就使得用戶可以為他們的協(xié)議設(shè)置一個(gè)消息傳遞的耗時(shí)上限。

但是，這種假設(shè)在現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中的分布式系統(tǒng)中不切實(shí)際：因?yàn)榻M件計(jì)算機(jī)們可能會(huì)崩潰，或者下線，而且消息也可能丟包，重復(fù)，延時(shí)或者沒有按照發(fā)送順序被接收。

2） 異步

在異步消息傳遞系統(tǒng)中，我們假定系統(tǒng)可能導(dǎo)致某條消息一直被延誤，導(dǎo)致消息重放，或者亂序發(fā)送消息。換句話說，在這種環(huán)境下，消息傳遞的預(yù)期耗時(shí)是沒有上限的。