[发明专利]一种拜占庭容错共识协议

说明书

本发明公开一种拜占庭容错共识协议，包括共识协议、视图变换协议和检查点协议三个子协议；共识协议协调各副本节点对请求执行顺序达成一致，并根据请求提交情况来决定是否自动更换新的主副本节点；当副本节点超时无法达成一致或自动换主不成功时，从副本节点触发视图变换协议，选举新的主副本节点，再次执行共识协议，保证共识一定能够达成；分布式系统每完成一定数目的请求之后，对副本节点的日志进行清理，副本节点对自身的状态进行更新。该方法在系统中存在错误副本(主副本节点或从副本节点)时能实现性能的平滑下降，解决了某些BFT协议在存在错误节点时，性能严重下降的问题。

技术领域

本发明涉及分布式系统领域副本管理方面，更具体地，是一种拜占庭容错共识协议。

背景技术

如今，数据中心的规模越来越大，机器越来越多，可能遇到的问题也随之增加。我们经常看到新闻上报道诸如某数据中心因遭受闪电、停电等灾害而造成服务不可用的例子。目前，复制(Replication)技术成为了解决服务器失效(Server failure)问题的主流方案。具体来讲，就是把一台服务器的数据复制多个副本到不同机器上，那么只要其中部分服务器上的数据没有出现异常，系统就可以正常运行。而状态机复制(State MachineReplication，简称SMR)技术能够保证系统中的每一个操作在不同的副本上都是按照同样的顺序执行的，那么既然所有操作都是按照一样的顺序执行的，最终每个副本的执行结果便是一致的^[1]。这样系统就能对客户提供一致性服务。但是，副本节点中可能存在恶意节点，阻止系统对外提供正常的服务。为了抵御恶意副本节点，系统需要使用拜占庭容错算法对副本进行管理，保证系统中所有正确节点上数据副本的一致性，以使系统达到高可用性和高可靠性目标。

计算机网络中所存在的一致性问题由计算机科学家Leslie Lamport等在1982年提出，被称为The Byzantine Generals Problem或者Byzantine Failure^[2]。拜占庭将军问题描述的是在有叛徒的军队中，如何使忠诚的将军对进攻还是撤退达成一致的问题。拜占庭假设是对现实世界的模型化，由于硬件错误、网络拥塞或断开以及遭到恶意攻击，计算机和网络可能出现不可预料的行为。拜占庭容错算法(Byzantine fault tolerant)能容忍任何形式的软件错误和安全漏洞，是一种解决分布式系统容错问题的通用方案^[1]。拜占庭容错(BFT)算法主要用来对副本节点所要执行的请求序列达成一致，系统能够在f个副本节点出现问题时仍能够正常对外提供服务。文献^[3]证明系统需要至少3f+1个节点来容纳f个错误节点。

研究者提出实用的拜占庭算法^[4]，极大地降低了拜占庭算法的运行开销。与原始的BFT算法相比，算法复杂度从指数级降低到了多项式级，从而使得BFT算法的实际应用成为可能。目前拜占庭容错方法主要分为两大类:基于quorum模式和基于主从模式。在基于quorum的BFT协议^[5、6、7]中，副本直接处理收到的请求，并回复客户端，一致性检查由客户端执行。显然，基于quorum的BFT协议在低并发的情况下性能较好，在高并发情况下性能较差。对比之下，基于主从的(primary-based)BFT协议^[2、8、9]，副本执行请求之前，主副本节点需为该请求分配一个序列号，然后从副本节点对该序列号达成一致，最后执行请求并将结果返回给客户端。副本对序号达成一致的过程称为共识。显而易见，高并发情况下，共识协议能有效地避免冲突，保证良好性能。但是如果主节点是错误节点，也会造成性能的急剧下降。

研究者为设计出更高效、更健壮的共识算法，提出各种优化技术，比如乐观预执行技术^[9、10]，可信部件^[11、12]，周期性改变leader等技术^[13]。高效指的是花费少的开销便可达成共识，健壮指的是存在错误节点时，仍能保证合理的共识开销。但是，目前很多BFT协议要么追求高效性而忽略了健壮性^[9、10]，要么牺牲高效性而追求健壮性^{[13,、14、15]}。