区块链年代的拜占庭容错:Tendermint(一)

时间:2021-07-17 23:37编辑:未知

Tendermint是一个分布式系统状况复制引擎,用于在多台机器安全一致地复制一个应用。所谓安全性,指的是即便有多达1/3的机器出现任意问题的状况下, Tendermint仍然可以正常工作。所谓一致性,指的是每个正常工作的机器都会有着同样的买卖日志,计算相同的状况。安全一致的复制是分布式系统中一个基本原则问题,它在各种应用程序(从货币到选举,到基础设施规划等)中的广泛应用的容错能力方面承担了极其要紧有哪些用途。

Tendermint被设计成易于用、易于理解,且性能优秀,适用于广泛的分布式应用。

正文

分布式共识系统成为现代网络基础设施中的一个重要组件,正帮助于每个主要的网络应用。本章节内容介绍了必要的背景材料来理解和探讨这部分系统。

复制状况机(Replicated State Machine)

最容易见到的用来研究和推行分布式共识(distributed consensus)的范例的是复制状况机的范例,其中,一个确定的状况机在数个进程(processes)之间被复制,如此不管部分进程是不是失败,这部分进程看起来像单个状况机。状况机有一些列输入驱动,这部分输入被称作买卖(transactions),每个买卖依据其是不是有效,可能引起一个状况迁移并返回一个结果。更正式的,买卖为数据库上的原子操作(atomic operation),意味着其要么完成要么根本就没发生,不可以返回一个中间状况( intermediate state)。状况买卖逻辑(state transition logic)由状况机的状况转移函数决定,这个函数映射了一个买卖和现在的状况到一个新的状况和一个返回值。状况转移函数有时也被叫做应用逻辑(application logic)。

订购买卖(order the transactions)并且将相应的买卖日志( transaction log )复制到每个进程是共识协议的责任。用一个确定的(deterministic)状况转移函数意味着在给定同样的买卖日志的状况下,每个进程将计算出相同的结果。

复制状况机构造如图所示。

如图:一个复制状况机在多个机器之间复制了一个买卖日志和结果状况。买卖从推广客户端同意,运行了共识协议,在买卖日志中订购(ordered),最后实行得到最新状况。在图中,每个菱形代表了单个机器,其中,虚线代表机器间的通讯用来承载进行订购买卖( ordering transactions)的共识协议。

Tendermint的目的是创建一个通用目的,高性能,安全和健壮的复制状况机。

不同时性(Asynchrony)

容错复制状况机(fault-tolerant replicated state machine)的目的是在对上层提供服务的时候,协调互联网中的计算机的同步,无论是否存在问题节点。

维持同步意味着成功复制买卖日志;提供一个有用的服务意味着在处置新买卖的时候维持状况机的可用性。传统上系统的这部分方面被各自成为安全性(safety)和可用性(liveness)。通俗地,安全性意味着没任何坏的事情发生;可用性意味着好的事情最后发生。安全违规( violation of safety)意味着存在两个或者更多的有效的,角逐的买卖日志。可用性违规(violating liveness )意味着一个没办法响应的互联网。

通过同意所有些买卖可以比较容易来满足可用性。通过不同意任何买卖可以比较容易来满足安全性。因此,状况机复制算法可以被看作在两者之间的一个平衡。通常地,进程在提交一个新的买卖在之前,需要对源于其他进程的信息设立一个阈值。在同步的环境中,大家对互联网消息的最大延迟或者处置器时钟的最大速度作出假设,通过轮流坐庄来建议新的买卖,进行大部分投票表决,假如建议者在同步假设的区间内并没产生任何建议,则跳过(skip)建议者的这一回合。

在一个异步的环境中,没关于互联网延迟或者处置器速度的保证的假设,权衡将变得更为困难。事实上,所谓的FLP不可能性结果(FLP impossibility result)证明了在确定的异步进程(单个进程可能会崩溃)之间的分布式共识的不可能性。该证明意味着,由于进程可能失败,存在协议的有效实行,但进程恰好在某一时间崩溃如此就阻止了共识。因此,大家对共识没任何保证。

通常地,协议中的同步是通过管理某些买卖时用到的超时(timeouts)来进行的。在异步环境中,消息可以被任意延迟,依靠同步来确保安全性的话可能致使买卖日志的分叉。依靠同步来保证系统的可用性可以引起共识的宕机,并且服务没办法响应。前者一般被看作更为紧急,由于调解冲突日志可能是一个让人生畏或者不可能的任务。

事实上,仅当消息延迟可以被好的概念和控制的时候,同步解决方法才会被用,比如在一架飞机上的控制器之间,或者借助同步的原子时钟的数据中心之间。因此,尽管存在不少高效的同步解决方法,计算机互联网的通常化的不靠谱性(general unreliability)太大以至于不可以实质投入用而不显著增加额外的本钱。

根本上有两种渠道来克服FLP不可能性结果。第一个是使用更强的同步假设-甚至相当弱的假设也是足够的,比如,那个唯一的最后崩溃的进程被怀疑崩溃了,正确的进程不受影响。通常地,这个办法借助leaders,其饰演了一个特别的协作的角色,并且在超时并被觉得发生问题了将来可以被跳过。事实上,如此的领导选取机制成功运转起来非常难。

第二种克服FLP的办法是用非确定性的-包含随机化元素,如此达成协议的可能性接近为1。尽管第二种办法更智能并且某些高级加密技术近些年来获得了速度上的提升,依靠随机化的办法一般更慢。

广播和共识

为了让一个进程复制状况到其它进程上,它需要有基本通讯原语的权限来允许其传播或者传递信息。一个最有用的原语是靠谱广播(reliable broadcast)。靠谱广播(RBC)是一个广播原语满足如下特质,对消息m,有:

有效性(validity) - 假如一个正确的进程广播m,它最后成功传达了m
一致性(agreement) - 假如一个正确的进程成功传达了m,所有最后所有些进程成功传达m
完整性(integrity) - m只传递一次,并且是以广播的形式被发送者发送出去

本质上,靠谱广播使得消息最后到达所有些进程一次。

另外,更有用的原语是原子广播( atomic broadcast(ABC)),其满足靠谱广播(RBC)和另外的一个属性:

总的顺序(total order) - 假如正确的进程p和q分别传递出m和m',p传达m在m'之前,那样q传达m在m'之前
原子广播是一个靠谱的广播,其中值以相同的顺序被发送到每一个机器上。注意到这事实上复制买卖日志的问题。通俗地讲,该问题可以被称作共识,共识原语的规范概念满足以下条件:

终止性 - 每一个正确的进程最后能做出决定
完整性 - 每一个正确的进程最多只做出决定一次
一致性 - 假如一个进程做出了v1的决定, 并且另外一个进程做出了v2的决定,那样v1=v2
有效性 - 假如一个正确的进程做出了v的决定,至少一个进程建议了v

直观地,共识和原子广播看起来十分类似,主要的差异在于,原子广播本身作为一个协议是连续的,然而共识期望终止。这就是说,每个可以精简为另一个。共识可以被精简为原子广播通过决定第一个原子广播的值。原子广播可以精简为共识,通过依次运行很多共识协议的实例,然而存在一些微妙的考量,尤其是在处置拜占庭问题方面。

一个完整的参数空间的关于原子广播精简为共识的描述仍然是一个开放的研究话题。

历史上,尽管大部分用例事实上需要原子广播,使用的最为广泛的算法是称作Paxos的共识算法,在90年代介绍并且证明该算法正确性的是Leslie Lamport。Paxos同时赋予和困惑了共识科学,一方面提供了第一个真实世界的,好用的,容错的共识算法,另一方面又难于理解和讲解。算法的具体达成用了其专门的技术来从Paxos打造原子广播,使得这个生态难于操纵,理解和借助。不幸的是,几乎没任何工作使得提升该框架更容易理解,尽管有尝试来描绘解决方法中的各种困难。

在2013年,Ongaro和 Ousterhout发表了Raft,一个状况机复制算法,其主要的设计动机是可理解性。与其从一个共识算法开始,并且尝试打造原子广播,Raft的设计第一考虑的是买卖日志,寻求正交组件,其组合在一块儿提供最后的原子广播,尽管其不是被如此描述的。

Paxos是工业范围的主要共识算法,在工业范围像亚马逊,Google和其他扩建了高可用性全球网络服务的公司。

Paxos 共识坐落于应用程序栈的底部,提供了资源管理和分配的一致接口,操作在一个更慢的时标相比于其他面对用户的高可用性应用程序。

Raft亮相以来得到了广泛的使用,尤其是在开源社区,其具备多个主流语言的达成,并且在多数项目中作为其主干。
Raft与Paxos在设计方面主要的不同是先聚焦于买卖日志,而不是单个值,尤其是允许一个leader持续提交买卖直到其卸任,这个时候领导选举开始生效。在某种程度上,这种似于在区块链中使用的办法,尽管其主要优势是可以容忍不同类型问题。

拜占庭容错(Byzantine Fault Tolerance)

区块链通过在共享数据库上责任的去中心化,降低了对手方风险,因此被叫做“信赖机器”。BTC由其具备的抵抗任何攻击和恶意行为的能力而著称。传统地,容忍恶意行为的共识协议被叫做拜占庭容错共识协议(Byzantine Fault Tolerant )。术语“拜占庭”被用,来自于拜占庭将军们面对的类似问题,这部分将军们尝试相互协调来攻击罗马,用唯一的信使,其中一个将军可能是叛徒。

在一个崩溃问题中,一个进程可能宕机。在一个拜占庭问题中,问题节点能做什么事情。崩溃的问题更容易处置,由于没进程会对其他进程撒谎。只存在崩溃问题的系统可以通过容易的多数决定规则( majority rule)来操作,因此一般可以同时容忍近一半的系统问题。假如系统可以容忍失败的数目是f,如此系统需要至少有2f+1个进程。

拜占庭问题复杂一些。在一个具备2f+1进程的系统中,假如f是拜占庭,这部分拜占庭节点可以协作来讲什么事情对另外f+1的进程。比如,大家尝试获得单比特共识,并且f=1,所以大家有N=3个进程,A,B,C,其中C是拜占庭,如图2.2所示。C可以告诉A这个值是0,告诉B这个值是1。假如A赞同它是0,B赞同它是1,那样他们都将觉得他们获得了大部分,提交,如此就违反了安全条件。因此,拜占庭系统可以容忍的问题上限小于非拜占庭系统。

如上图 一个拜占庭进程C,告诉A一件事,告诉B另外一件,导致他们得出关于互联网的不一样的结论。这里。容易的大部分投票致使了安全违规,来自于单个拜占庭进程。

事实上,可以证明拜占庭问题的上限为f

在1999年,Castro 和 Liskov 发表了实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Tolerance),提供了第一个优化的适用于实质的拜占庭容错算法。其为工业系统中拜占庭容错的实用性设定了一个新的先例,每秒可以处置成千上万比买卖。此外,拜占庭容错仍然是让人觉得是昂贵的,大多数时间是非必须的,并且最火爆的达成非常难打造在其上面。因此,尽管学术对其兴趣日增,包括很多提升了的变种,但在推行和配置方面并没太多进展。进一步,假如互联网中超越1/3的节点是拜占庭,PBFT将不可以提供任何保证。

密码学,信赖和经济学

根本上说,容错这个问题起来自于缺少信赖 - 不知晓一些进程将怎么样表现(behave)。正式地,信赖需要从理论上被概念成一种信息,其作为一种降低世界模型熵的方法-信赖某个人就是乐观地降低这个人对于这个世界的不确定性,使得可以把注意力放在更高阶的组织层面上。

密码学原语从根本上与信赖问题有关,主要被概念为允许熵很多降低的机制-成功认证一个密码学函数把一个可能结果的分布坍缩成一个点,或者在一些例子中一些少量的结果。

它是做所周知的有着更好规范信赖的文明,比如法治具备更高的生产率和更充满生气的经济。结果产生了一个直观的感觉,可以更多的信赖相互用途,降低可能结果的空间,其需要被主动建模,使其更容易协调。不幸的是,评价现代机构的信誉愈加困难,由于他们的复杂度在近些年增加了不少,增加了可能性,其声称的确定性是幻觉。

幸运的是,密码学形成了社会中心的信赖体系的基础,奇迹大地提升了人类在全球范围内协作的能力,因为降低了欺骗和无责任行动的风险。比较有趣的是密码学原语在BFT算法中的重要程度,为了认证和散播不确定性。

最有趣的是,经济机制也能当作降低熵的一种方法,迄今为止经济加盟可以被勉励-更大概被用来实行一个特定的行为。BTC深入的洞察是密码原语可以与经济勉励结合起来有效降低公共共识互联网的熵来获得状况安全复制。

更正式的信赖的信息理论根基,密码学,共识和经济学和他们之间的关系的调查将会在将来的工作中展开。

区块链

区块链的核心是一个关于拜占庭容错原子广播的聚焦完整性的办法。比如,BTC区块链结合了经济学和密码学随机化来提供一个强的概率保证,保证安全违规不会发生,给定了一个弱同步假设,即区块间的通讯比产生哈希碰撞更飞速。事实上,然而,大家都知道,BTC的安全保证容易遭到各种狡猾(subtle)的攻击。

区块链从两个重要的优化中得到它的名字,其借助这两个优解决决了原子化广播的问题。第一个是买卖以块为单位进行分组来分摊高提交延迟(在10min量级)。第二个优化是通过加密哈希把区块链接起来成为一个不可篡改的链,如此就比较容易验证历史记录。两个优化都相对于原始的BFT-ABC的有所提升,前者提升了性能,后者提升了容错。

经过这几年的进步,用哈希链接买卖块并以原子广播发送出去已经成为公共的区块链共识算法。据作者所知,Tendermint是第一个如此的建议,升级了知名的80年代的BFT算法,成为了自成体系的共识算法。Tendermint被IBM跟进,IBM升级PBFT到区块链,JP摩根升级了一个Raft的BFT版本。

过程演算

各个部分同时实行的分布式系统,因难以设计、构建和调试而饱受诟病。它们更难以正式验证,由于大部分技术的形式验证,与事实上很基础的计算机科学,都是通过推算得到的,因此非常难正式验证。

过程演算是一种为并发计算提供了有条理的基础原理的模型系列。最一般的演算办法,Communicating Sequential Processes(CSP)构成了很多现代编程语言的理论基础。譬如Go语言,在设计中包含了并发原语。

大家可以用一个正式的逻辑来表达一个过程可能满足的属性。举例来讲,模态Hennessy–Milner逻辑可以表示,在某些或所有形式的动作发生后,一个进程将满足其他一些逻辑表达式。通过将更复杂的运算办法添加到逻辑中,可以打造正式的系统,可以比较容易地描述分布式系统的要紧属性,譬如安全性、可用性和当地化等。通过π-calculus撰写的系统可以被正式验证,以满足用模型检查软件的有关属性。

当大家用π-calculus来详细说明Tendermint算法时,大家会用有关的正式逻辑,与相应的属性验证,以备以后的工作。

Tendermint的需要

BTC及其衍生物的成功,尤其是ETH和他们的关于安全,自治,分布式,对任意代码的容错实行的前景引起了事实上每个主要的金融机构的兴趣。特别地,出现了对两种种区块链技术:一方面是公链,被亲切地称为Big Dad公链(Big Bad Public Blockchains),其协议被内建经济勉励通过原生货币(native currency)的方法所支配。

另一方面是所谓的私有链,更准确的被叫做“网盟链”( consortia blockchains),通过哈希树的用,数字签名,p2p互联网和加大的问责制,其对传统共识和拜占庭算法有肯定的提升。

就像现代社会的基础设施持续的去中心化或者正如商业的跨组织本质,对透明,问责和高性能的拜占庭系统的需要愈加多,这个系统支持的应用程序从财政到域名注册到电子投票和与治理的高级机制协作和将来的演进。

Tendermint这个解决方法对网盟或者跨组织逻辑进行了优化,但足够灵活来容纳其他人,从私有企业到全球货币,并且性能足够高来与主要的,非拜占庭容错的,共识解决方法角逐比如 ETCd, consul, and zookeeper,于此同时提供了更强的恢复性,安全保证,对应用开发者的灵活性。

区块链年代的拜占庭容错:Tendermint(二)

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