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UNI:用三國殺講分布式算法 太舒適了吧?

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前言

《三國殺》是一款熱門的卡牌游戲,結合中國三國時期背景,以身份為線索,以卡牌為形式,益智休閑,老少皆宜。

在講解之前,我們先聊下分布式協議和算法整體脈絡。

現在很多開發同學對分布式的組件怎么使用都有一定經驗,也知道CAP理論和BASE理論的大致含義。但認真去看分布式算法的真的很少,原因有三:

擔心算法過于復雜,所以花的時間很少。

網上的資料能用大白話將分布式算法講清楚的比較少。

學習分布式算法沒有一條清晰的路線。

我會在后續的文章中用故事、大白話的方式來講解分布式算法的原理,以及學習路線到底是怎么樣的。

1.學習路線

學習分布式協議和算法的路線可以是先學習四大基礎理論,作為地基,再學習分布式協議和算法,就像是在地基上建房子。地基打好了,才能建更穩固的高樓大廈。

四大基礎理論:

拜占庭將軍問題

CAP理論

ACID理論

BASE理論

八大分布式協議和算法:

Paxos算法

Raft算法

一致性Hash算法

Gossip協議算法

QuorumNWR算法

FBFT算法

POW算法

ZAB協議

因篇幅原因,本篇只涉及拜占庭將軍問題。

Circle CEO:USDC將于下周在Base網絡上發布:金色財經報道,Circle首席執行官Jeremy Allaire在社交媒體上表示,Circle的美元穩定幣USDC將于下周在Base網絡發布,新版本將取代大多數用戶依賴的USDbC,最終消除對USDbC橋接版本的需求。

截至發稿時,Circle團隊尚未宣布該幣正式發行的具體日期,Allaire僅表示將在“下周”某個時間發行。[2023/8/30 13:05:04]

2.拜占庭將軍問題

大家可能聽過拜占庭將軍問題。它是由萊斯利·蘭伯特提出的點對點通信中的基本問題。

拜占庭位于如今的土耳其的伊斯坦布爾,是東羅馬帝國的首都。由于當時拜占庭羅馬帝國國土遼闊,為了達到防御目的,每個軍隊都分隔很遠,將軍與將軍之間只能靠信差傳消息。在戰爭的時候,拜占庭軍隊內所有將軍和副官必須達成一致的共識,決定是否有贏的機會才去攻打敵人的陣營。但是,在軍隊內有可能存有叛徒和敵軍的間諜,這個就是拜占庭容錯問題。

實際上拜占庭問題是分布式領域最復雜的一個容錯模型。一旦理解它,就能掌握分布式共識問題的解決思路,還能幫助大家理解常用的共識算法,也可以幫助我們在工作中選擇合適的算法,或者設計合適的算法。

為什么第一個基礎理論是拜占庭將軍問題?

因為它很好地抽象出了分布式系統面臨的共識問題。上面提到的8種分布式算法中有5種跟拜占庭問題相關,可以說弄懂拜占庭問題對后面學習其他算法就會容易很多。

下面我用三國殺游戲中的身份牌來講解拜占庭將軍問題。

2.1三國殺身份牌

Unibot:UNIBOT錢包新增ERC-20代幣轉移功能:金色財經報道,Unibot宣布現已可以將ERC-20代幣轉入或轉出UNIBOT錢包。使用/menu重新啟動機器人,將看到新的“轉移代幣”按鈕。[2023/8/7 21:28:26]

三國殺中主要有四種身份:主公、忠臣、反賊、內奸。每個游戲玩家都會獲得一個身份牌。主公只有1個。忠臣最多2個,反賊最多4個,內奸最多一個。

主公

主公身份牌

獲勝條件:消滅所有反賊和內奸

技巧:以自己生存為首要目標,分散反賊注意力。配合忠內剿滅反賊并判斷誰是忠誰是內。

忠臣

忠臣身份牌

獲勝條件:保護主公存活的前提下消滅所有反賊和內奸。

技巧:忠臣是主公的屏障,威懾反賊和內奸的天平。

反賊

反賊身份牌

獲勝條件:消滅主公即可獲勝。

技巧:反賊作為數量最多的身份,需要集中火力猛攻敵人弱點。正確的思路是獲勝的關鍵。

內奸

內奸身份牌

獲勝條件:先消滅反賊和忠臣,最后與主公單挑成為最后唯一生還者。

技巧:正確的戰術冷靜的頭腦運氣。

2.2還原拜占庭問題

東漢末年,袁紹作為盟主,匯合了十八路諸侯一起攻打董卓。把董卓定為反賊,袁紹定為主公,另外有兩個忠臣和一個內奸,就選這三個風云人物:曹操,劉備,孫堅,內奸扮演的角色是忠臣,主公和兩個忠臣不知道內奸的身份,都當作忠臣對待了。

澳大利亞已經使用央行數字貨幣eAUD進行第一筆外匯交易:金色財經報道,區塊鏈基礎設施供應商Canvas在一份聲明中說,加密貨幣基金經理DigitalX和TAF Capital將eAUD與穩定幣USDC進行了第一筆外匯交易,Canvas報告,這筆交易是即時結算的,外匯交易是目前正在進行的一系列測試的一部分,標志著澳大利亞已經使用央行數字貨幣eAUD進行第一筆外匯交易,且被用于使用以太坊第二層區塊鏈的美元穩定幣的交易。[2023/5/18 15:10:28]

董卓是非常強大的,擁有精良的西涼兵,麾下還有戰神呂布。大家都知道三英站呂布的故事,呂布以一已之力對陣劉備、張飛、關羽三人。

要想干掉董卓,袁紹必須統一忠臣的作戰計劃,三位忠臣還不知道有什么其他花花腸子,有一個還是內奸。如果內奸暗通反賊董卓,給忠臣發送誤導性的作戰信息,該怎么辦?另外假定這幾個忠臣都是通過書信交流作戰信息,如果書信被攔截了或書信里面的信息被替換了咋辦?這些場景都可能擾亂作戰計劃,最后出現有的忠臣在進攻,有的忠臣撤退了。那么反賊就可以乘此機會發起進攻,逐一攻破。

袁紹本來就沒有曹操的機智,那他如何讓忠臣們達成共識,制定統一的作戰計劃呢?

上面的映射關系就是一個拜占庭將軍問題的一個簡化表述,袁紹現在面臨的就是典型的共識問題。也就是在可能有誤導信息的情況下,采用合適的通訊機制,讓多個將軍達成共識,制定一致性的作戰計劃。

2.3一方選擇撤退

劉備、曹操、孫堅通過信使傳遞進攻或撤退的信息,然后進行協商,到底是進攻還是撤退。遵循少數服從多數,不允許棄權。

新加坡金融管理局:加密貨幣交易所必須遵守俄羅斯制裁規定:金色財經報道,新加坡金融管理局(MAS)表示,針對俄羅斯的制裁措施適用于所有金融機構,包括加密貨幣交易所,即使是在新加坡經營的數字支付令牌服務提供商 (DPTSP),遵守對俄羅斯的金融制裁是必須的。新加坡金融管理局指出,DPTSP平臺應進行客戶盡職調查、驗證客戶身份、篩選交易對手、以及監控使用混合器等嘗試逃避禁令的潛在措施。[2022/11/4 12:14:51]

曹操疑心比較重,偵查了反賊的地形后,決定撤退。而劉備和孫堅決定進攻。

劉備決定進攻,通過信使告訴曹操和孫堅進攻。

曹操決定撤退,通過信使告訴劉備和孫堅撤退。

孫堅決定進攻,通過信使告訴曹操和劉備進攻。

一方選擇撤退

曹操收到的信息:進攻2票,自己的一張撤退票,票數一比,進攻票:撤退票=2:1,按照上面的少數服從多數原則進行投票表決,曹操還是會進攻。那么三方的作戰方案都是進攻,所以是一個一致性的作戰方案。最后戰勝了董卓。

2.4內奸登場-撤退

因為我們前期的設定,孫堅作為內奸,早已與反賊董卓私下溝通好了,不攻打董卓。

劉備決定進攻,通過信使告訴曹操和孫堅進攻。

曹操決定撤退,通過信使告訴曹操和孫堅撤退。

孫堅決定撤退,通過信使告訴曹操和劉備撤退。

內奸登場-撤退

劉備收到進攻和撤退各一票,而自己又選擇撤退,所以劉備得到的票數是:進攻:撤退=1:2,遵從少數服從多數的原則,劉備選擇最后選擇撤退,那么三方的作戰方案都是撤退,所以也是一個一致性的作戰方案。

Neopets Meta將于周五推出元宇宙Alpha版本:8月25日消息,Neopets Meta將于周五推出其元宇宙Alpha版本。持有Neopets Metaverse、Pizzaroo的Unique Pizza和Masterpiece NFT的人將能夠注冊并訪問該平臺。整個9月,團隊將發布允許與Neopets互動、裝飾Neohomes和與其他玩家作戰的功能。

最初虛擬寵物在線游戲平臺上的幾款經典迷你游戲將提供Web3體驗,包括Turmac Roll、Meera Chase、Ultimate Bullseye。但Neopets Meta表示,該項目并不打算取代原來的Web2平臺。(The Block)[2022/8/25 12:47:03]

2.5內奸使詐-一進一退

內奸看了上述計劃,發現忠臣都撤退了,并沒有被消滅,就想通過使詐的方式來消滅其中一個忠臣。

劉備決定進攻,通過信使告訴曹操和孫堅進攻。

曹操決定撤退,通過信使告訴曹操和孫堅撤退。

孫堅作為內奸使詐,通過信使告訴劉備進攻,告訴曹操撤退。

內奸使詐-一進一退

那么結果是什么呢?

劉備的票數為進攻2票,撤退1票,曹操的票數為進攻1票,撤退2票。按照少數服從多數的原則,劉備最后會選擇進攻,而曹操會選擇撤退,孫堅作為內奸肯定不會進攻,劉備單獨進攻反賊董卓,勢單力薄,被董卓干掉了。

從這個場景中,我們看到內奸孫堅通過發送誤導信息,非常容易地就干擾了劉備和曹操的作戰計劃,導致兩位忠臣被逐一擊破。這個現象就是二忠一判難題。那么主公袁紹該怎么解決這個問題?

3.拜占庭問題解法

解法一原理

就是將袁紹也參與進來進行投票,這樣就??????????增加了一位忠臣的數量??????????。三個忠臣一個叛賊。然后4位將軍做了一個約定,如果沒有收到命令,則執行默認命令,比如撤退。另外約定流程來發送作戰信息和如何執行作戰指令。這個解法的關鍵點就是執行兩輪作戰信息協商。

3.1袁紹作為指揮官

我們來看下第一輪是怎么做的。

先發送作戰信息的將軍我們把他稱為指揮官,另外的將軍我們稱作副官。

指揮官將他的作戰信息發送給所有的副官。

每一位副官將從指揮官處收到的作戰信息,作為自己的作戰指令;假如沒有收到指揮官的作戰信息,將把默認的撤退作為作戰指令。

我們用圖來演示:袁紹作為主公先發送作戰信息,作戰指令為進攻。然后曹操、劉備、孫堅收到進攻的作戰指令。

第一輪

再來看下第二輪是怎么做的。

第一輪指揮官已經發送指令了,現在就需要劉備、曹操、孫堅依次作為指揮官給其他兩位副將發送作戰信息。

然后這三位副將按照少數服從多數的原則,執行收到的作戰指令。

孫堅使詐-兩撤退

如果孫堅使詐,比如給曹操和劉備都發送撤退信息,如下圖所示。那么劉備和曹操收到的作戰信息為進攻2票,撤退1票,按照少數服從多數的原則,最后劉備和曹操執行進攻,實現了作戰計劃的一致性,曹操和劉備聯合作戰擊敗了反賊董卓

孫堅使詐-兩撤退

孫堅使詐-一進一退

假如孫堅使詐,給曹操發送撤退指令,給劉備發送進攻指令,那么劉備收到的作戰信息是進攻3票,肯定會發起進攻了,而曹操收到的作戰信息是進攻2票,撤退1票,最后曹操還是會進攻,所以劉備和曹操還是聯合作戰擊敗了反賊董卓。

如此看來,引入了一位指揮官后,確實可以避免孫堅使詐,但如果是孫堅在第一輪作為指揮官,其他人作為副官呢?

孫堅使詐-一進一退

3.2孫堅作為指揮官

第一輪孫堅向其中一個副官袁紹發送撤退指令,向另外兩個副官曹操、劉備發送進攻指令。那么第一輪的結果如下圖:

第一輪

第二輪孫堅休息,其他副官按照孫堅發送的指令開始向另外的副官發送指令。

曹操向劉備和袁紹發送進攻指令。

劉備向曹操和袁紹發送進攻指令。

袁紹向曹操和劉備發送撤退指令。

如下圖所示,最后曹操、劉備、袁紹收到的指令為進攻2票,撤退1票,按照少數服從多數原則,三個人都是發起進攻。執行了一致的作戰計劃,保證作戰的勝利。

第二輪

3.3小結

通過上面的演示,我們知道了如何解決拜占庭將軍問題。其實蘭伯特在他的論文中也提到過如何解決。

如果叛將人數為m,將軍數n>=3m1,那么就可以解決拜占庭將軍問題。

前提條件:叛將數m一致,需要進行m1輪的作戰協商。

這個公式,大家只需要記住就可以了,推到過程可以參考論文。

比如上述的攻打董卓問題,曹操、劉備、孫堅三個人當中,孫堅是叛將,他可以使詐,使作戰計劃不統一。必須增加一位忠臣袁紹來協商共識,才能達成一致性作戰計劃。

拜占庭解法二——簽名

那可以在不增加忠臣的情況下,解決拜占庭的二忠一判問題嗎?

解法二就是通過簽名消息。比如將軍之間通過印章、虎符等信物進行通信。來保證這幾個特征:

簽名無法偽造,對簽名消息的內容進行任何更改都會被發現。

任何人都能驗證將軍簽名的真偽。

限于篇幅原因,簽名的演示這里就不做展開了。

總結

通過《三國殺》角色來講解分布式中共識場景。那他們和分布式系統的映射關系是怎么樣的呢?

將軍對應計算機節點。

忠臣的將軍對應正常運行的計算機節點。

叛變的將軍對應出現故障并會發送誤導信息的計算機節點。

信使被殺對應通訊故障、信息丟失。

信使被間諜替換對應為通訊被惡意攻擊、偽造信息或劫持通訊。

可不要小瞧拜占庭問題,它可是分布式場景最復雜的的故障場景。比如在數字貨幣的區塊鏈技術中就有用到這些知識點。而且必須使用拜占庭容錯算法。

拜占庭容錯算法還有FBFT算法,PoW算法,當然不會在這篇中去講這些算法,后續再講解。一口吃不了大胖子~

有了拜占庭容錯算法,肯定有非拜占庭容錯算法,顧名思義,就是沒有發送誤導信息的節點。CFT算法就是解決分布式系統中存在故障,但不存在惡意節點的場景下的共識問題。簡單來說就是可能因系統故障造成丟失消息或消息重復,但不存在錯誤消息、偽造消息。對應的算法有Paxos算法、Raft算法、ZAB協議。后續講解~上面提到了5種算法,居然都是跟拜占庭問題有關,你說今天講的拜占庭問題重要不重要?

這么多算法該如何選擇?

節點可信,選非拜占庭容錯算法。否則就用拜占庭容錯算法,如區塊鏈中用到的PoW算法。

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