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泛泛而谈：白话分布式一致性与共识算法
内容导读
互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了泛泛而谈：白话分布式一致性与共识算法，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含10060字，纯文字阅读大概需要15分钟。
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泛泛而谈：白话分布式一致性与共识算法
转载，存储，学习，共享。。。。
说的简单明了他们说你是泛泛而谈，算法这东西是讲明白的吗？自己不动手光想听别人讲就能明白，还想深刻明白，天下哪有这种便宜事！好吧，我就泛泛而谈吧。
一、分布式系统问题
多节点，提高了系统整体的负载能力；可以使用多个处理器，同步查询，提高查询性能；可以有更多节点复制数据，增强了失败情况下的恢复能力，提高了系统整体的可用性。但是，分布式处理增加了系统各个方面的复杂度，关键问题是解决如何通信问题。
（1）分布式系统的先天不足—CAP理论
2000年，Eric Brewer教授在ACM分布式计算年会上指出了著名的CAP理论：分布式系统不可能同时满足一致性(Consistency)，可用性(Availability)和分区容错性(Tolerance of network Partition) 这三个需求。
一致性 Consistency：系统在执行过某项操作后仍然处于一致的状态。在分布式系统中，更新操作执行成功后所有的用户都应该读到最新的值，这样的系统被认为是具有强一致性的。等同于所有节点访问同一份最新的数据副本。这个和数据库ACID的一致性类似，但这里关注的是所有数据节点上的数据一致性和正确性，而数据库的ACID关注的是在一个事务内，对数据的一些约束。
可用性 Availability：每一个操作总是能够在一定的时间内返回结果，这里需要注意的是“一定时间内”和“返回结果”。一定时间指的是，在可以容忍的范围内返回结果，结果可以是成功或者失败。关注的是在某个结点的数据是否可用，可以认为某一个节点的系统是否可用，通信故障除外。
分区容错性 Partition Tolerance：是否可以对数据进行分区。存在网络分区的情况下，仍然可以接受请求。
（2）最终一致性、CAP理论、BASE原则
最终一致性就是等会儿就一致了，早晚会一致的。使用最终一致性的关键就是想方设法让用户“等会儿”。办法是让用户知道（对用户透明），这个方法有个学名叫“用户感知到的一致性”，意思就是让用户自己知道数据已经不一致了，你再忍会儿。
虽然分布式系统不符合ACID原则，但是我们符合NOACID原则。我们换个词，就叫BASE原则（基本可用性、软状态与最终一致性）。BASE的含义就是指：设计可以通过牺牲一定的数据一致性和容错性来换取高性能的保持甚至提高。其实所有的分布式系统都是牺牲C（一致性 Consistency ）来换取P（分区容错性 Partition Tolerance ），而不是牺牲A（可用性 Availability ）。可用性是所有分布式系统共同追求的特性。
二、共识算法
（1）拜占庭将军问题
就是说，皇帝发出的命令，各地区的将军能不能行动一致，怎么避免出现不一致，甚至出现叛徒。行动听指挥，Leader说了算。
避免分布式系统节点数据不一致，方法很简单，写操作由其中一个节点执行。这个Leader节点谁来做，这个Leader选举办法，就是一致性算法或共识算法。
（2）工作量证明机制(Proof of Work, POW)
手速快的，来做写节点Leader，谁手速快，比一比就知道了，就是POW算法。就是大家熟悉的挖矿，通过与或运算，计算出一个满足规则的随机数，即获得本次记账权，发出本轮需要记录的数据，全网其它节点验证后一起存储。
优点：完全去中心化，节点自由进出；缺点：目前Bitcoin已经吸引全球大部分的算力，其它再用Pow共识机制的区块链应用很难获得相同的算力来保障自身的安全；挖矿造成大量的资源浪费；共识达成的周期较长，不适合商业应用。
（3）股权证明机制(Proof of Stake, POS)
谁钱多谁来，根据每个节点所占代币的比例和时间，等比例的降低挖矿难度，从而加快找随机数的速度。
优点：在一定程度上缩短了共识达成的时间，对节点性能要求低，达成共识时间短，网络环境好的话可实现毫秒级；缺点：还是需要挖矿，本质上没有解决商业应用的痛点。
（4）授权股权证明机制(Delegate Proof of Stake, DPOS)
类似于公司董事会制度，选出一定数量的代表，来负责生产区块。这些代表是怎么被选出来的呢？是每一位持币人，根据手中的持有的代币投票选出来的。每个股东可以将其投票权授予一名代表，获票数最多的前100名代表按既定时间表轮流产生区块。
（5）实用拜占庭协议（PBFT）
PBFT是一种基于消息传递的一致性算法，算法经过三个阶段达成一致性，这些阶段可能因为失败而重复进行。该算法主要应用在IBM超级账本等联盟区块链或私有区块链场景中，容错率低、灵活性差，超过1/3的节点作恶就会导致系统崩溃，并且不可动态添加节点（这能算商用一致性算法吗？）。
假设节点总数为3f+1，f为拜占庭错误节点：
1）当节点发现leader作恶时，通过算法选举其他的replica为leader；
2）leader通过pre-prepare 消息把它选择的value广播给其他replica节点，其他replica节点如果接受则发送prepare，如果失败则不发送；
3）一旦2f个节点接受prepare消息，则节点发送commit消息；
4）当2f+1个节点接受commit消息后，代表该value值被确定。
三、Paxos算法
Paxos算法是莱斯利兰伯特于1990年提出的一种基于消息传递，具有高度容错特性的一致性算法。SunlightDB等区块链数据库使用这种算法，Google Chubby的作者Mike Burrows说过这个世界上只有一种一致性算法，那就是Paxos，其它的算法都是残次品。
基于拜占庭将军问题解析：分为以下两种角色：proposer：提交者；acceptor：决策者
1）提交者1发起提议，派通信兵带信给3个决策者，内容为（编号1）;
2）3个决策者收到提交者1的提议，由于之前还没有保存任何编号，因此把（编号1）保存下来，避免遗忘；同时让通信兵带信回去，内容为（ok）;
3）提交者1收到至少2个决策者的回复，再次派通信兵带信给3个决策者，内容为（编号1，进攻时间1）;
4）3个决策者收到提交者1的时间，把（编号1，进攻时间1）保存下来，避免遗忘；同时让通信兵带信回去，内容为（Accepted）;
5）提交者1收到至少2个决策者的（Accepted）内容，确认进攻时间已经被大家接收；
6）提交者2发起提议，派通信兵带信给3个决策者，内容为（编号2）;
7）3个决策者收到提交者2的提议，由于（编号2）比（编号1）大，因此把（编号2）保存下来，避免遗忘；又由于之前已经接受提交者1的提议，因此让通信兵带信回去，内容为（编号1，进攻时间1）;
8）提交者2收到至少2个决策者的回复，由于回复中带来了已接受的提交者1的提议内容，提交者2因此不再提出新的进攻时间，接受提交者1提出的时间。
一个潜在的问题是 proposer 在此过程中出现故障，可以通过超时机制来解决。极为凑巧的情况下，每次新的一轮提案的 proposer 都恰好故障，系统则永远无法达成一致（概率很小）。Paxos 能保证在超过50%的正常节点存在时，系统能达成共识。
区块链落地应用案例：SunlightStamp 区块链签章
近年来，随着互联网金融以及区块链技术的快速发展，电子签章行业兴起，短短几年时间就获得长足发展。不管是国内还是国外，电子签章都将成为一种趋势。
电子签章服务商DocuSign
2018年5月31日，上市仅一个多月的美国电子签章服务商DocuSign市值已经超过77亿美元，与上市前相比，涨幅超过75%。
2019年4月，DocuSign在财报中透露，今年一季度总收入2.14亿美元，同比增长37%。订阅收入2.015亿美元，同比增长36%。预计在未来一年，全球个人用户数的增长将高达26%，而企业客户的增长将高达33%。从市值这个维度来看，DocuSign的市值是百亿美元，这个规模比微博、陌陌、YY都要大。
DocuSign招股书披露，全球Top10的科技公司中有7家使用DocuSign的服务；全球Top20的制药企业中，有18家使用DocuSign的服务；全球Top15的金融企业中有10家是DocuSign的客户。
美国电子签名市场相对成熟，却依然保持着30%左右的增长，因此全球投资机构都在寻找下一个DocuSign。对投资者来说，中国电子签名市场规模太大了。随着国务院、财政部对电子签名的认可，房屋买卖、物流运输等行业鼓励采用电子合同，电子签名的效能正在得到企业认可。艾媒咨询显示，2019年中国电子签约次数高达216.4亿次，到2020年预计将高达374.4亿次，年增长率超过80%。
新型区块链签章产品优势
SunlightStamp通过完善的PKI技术来验证数字签名及证书的有效性，并将验证结果以有效印章的方式在文档中直观的显示出来，以此保证文档内容的完整性和签名的不可否认性。
随着技术的发展，SunlightStamp不断引入更多的安全措施，如数字水印技术，签名证书的撤销列表校验，尤其是通过引入区块链技术取代传统数据库存储，极大的增强了签章数据存储的安全性和不可篡改性。
区块链签章优势一：基于区块链的签章数据存储。传统的电子印章签章及其管理系统均是数据中心化的集中化存储，每个节点的认证，均需要中心端的许可，每次用印记录必须实时上传中心，这种模式天然存在弊端。利用区块链去中心化、信息不可伪造、不可篡改的技术特点，打造更安全、更方便的电子签章模式。
区块链签章优势二：基于区块链的签章数据验证。传统签章所有密码运算使用智能卡系统内置的相关算法实现。区块链电子签章系统的签名运算可以使用签章联盟链内置的相关算法实现，签名运算完全在联盟链全节点内完成，不会泄漏到主机内存或其他设备中。
区块链签章优势三：基于区块链的签章数据共享。利用SunlightDB区块链数据库技术，将数据同步传送给司法鉴定中心、公证处，保全中心、合同双方等，多方共同组织形成一条签章联盟链，同时在线出具司法鉴定证书、公证书。当债务人未履行合同义务时，可凭公证机构签发的执行证书，直接向人民法院申请强制执行。
区块链签章优势四：基于区块链的三流合一新型电子商务。通过区块链签章SunlightStamp和区块链通证技术SunlightChain相结合，使未来的区块链电子商务更具有法律效应。从商务谈判期，合同双方使用的电子签章技术；到商务交易期，底层数据共享，使用的区块链数据库；最后商务结算期，使用的区块链通证技术。商务过程全流程跟踪，可追溯。三种安全产品共同组成了新型区块链电子商务解决方案。
SunlightStamp区块链签章系列产品
SunlightStamp区块链签章系列产品目前包含：适用于微软Office电子办公Word版本和Excel版本，Adobe原厂提供的PDF文档版本，以及基于网站应用的WebStamp网页签章，这四个版本。
SunlightStamp组件技术，使其可以无缝嵌入到Office运行环境中，不影响原有Office系统的功能。签名后，不会形成其他附加文档，而是与待签文档结合在一起，一同在办公系统中流转，与对原始文档的其他操作无异。控件在Office文档中的显示效果与纸质文档上的普通印章或签名的效果十分接近，并且其打印效果与纸质文档的签章效果更为接近。
SunlightStamp电子办公Word版本和Excel版本，是以微软Office为运行环境，对Word、Excel等格式的文件进行电子签章的操作，能够独立于网络环境运行，可以作为单独的电子印章系统来使用，也可以与现有的办公OA产品结合起来发挥更完整的作用。由于签章部分的独立性，使得OA厂商只要在开启Word文档时使Word可见就可以了。其他的事情完全由签章系统自己完成，不会干扰OA系统的操作。
主要功能
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文档签章：能在Office电子文档上签署印章。印章上浮透明显示，效果如同纸质盖章或签名。支持多个单位或个人的会签，签章前电子印章可移动，一旦签章则印章不能移动，签名哈希数据存放于区块链中不可篡改。
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文档验证：实现电子文档的完整性验证，即如果签署后的文档发生了变更，验证时则会提示文档验证不通过，并在印章上显示不可去除的遭篡改标识。
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离线认证：利用颁发者证书和证书撤销列表来验证印章对应的签名证书的有效性，同时利用数字水印技术验证印章本身的有效性。
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在线认证：通过签章联盟链来验证印章对应的签名证书的有效性，同时利用数字水印技术验证印章的有效性。
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删除样章：无法用Delete键删除样章，仅能通过此功能删除样章。
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撤消签章：签章用户若希望对签章后的文档内容进行修改，可以使用此功能撤消签章，待修改文档完成后再执行“文档签章”操作来重新签章。
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签章时间：显示签署该印章时的计算机本地时间。
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锁定文档：提供类似于OFFICE自身携带的“保护文档”功能，并且设置重试次数，超过重试次数后，文档的锁定状态只能由签章者利用签章时的密码设备解除。处于锁定状态下的文档其签章控件的必要功能依然有效，如：“文档验证”，“签章时间”等等。
区块链签章SunlightStamp系列产品演示
SunlightStamp WORD文档区块链签章演示视频
SunlightStamp Excel文档区块链签章演示视频
SunlightStamp WebStamp网页签章演示视频
SunlightStamp PDF文档区块链签章演示视频
内容总结
以上是互联网集市为您收集整理的泛泛而谈：白话分布式一致性与共识算法全部内容，希望文章能够帮你解决泛泛而谈：白话分布式一致性与共识算法所遇到的程序开发问题。 如果觉得互联网集市技术教程内容还不错，欢迎将互联网集市网站推荐给程序员好友。
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