CAP:技術指南丨DE/CP場景下的分布式系統理論

DCEP與現有的電子支付系統有一個最大的不同點在于，DCEP整體系統的設計是一個分布式的系統，整個支付流程需要多個系統與用戶的終端協同完成工作。而現有的電子支付，例如微信支付寶等產品，則是只采用了一個支付中心，用戶的設備僅僅是作為一個收集信息的終端。

DCEP所具有的貨幣流通屬性，其流通過程的細節，以及對離線支付的要求，需要系統以分布式的形式運行。

因此，作為一個分布式系統，DCEP的設計勢必會受到一些分布式系統的基本邏輯與理論的影響。同時，DCEP的設計也會反映出這些邏輯與理論。

CAP理論

CAP理論是原本來自分布式數據庫中的一個理論，這個理論描述了一個分布式系統設計中的取舍依據。

聲音 | 彭博社：技術指標顯示以太坊處于2019年5月以來最超買水平:彭博社發文稱，根據衡量連續收盤價漲跌的GTI全球實力指標，以太坊處于自2019年5月以來的最超買水平。此外，以太坊今年以來的漲幅，也推動彭博銀河加密指數進入超買區間。該指數追蹤一些規模較大的數字資產，以太坊占指數的近30%。[2020/2/14]

CAP是分布式系統中一致性，可用性與分區容錯性三個單詞的簡寫。

這個理論的基本描述是，分布式系統中三者最多只能實現兩點，不能同時兼顧。實際上這樣的三選其二的理論有很多，不僅僅是在分布式系統領域有體現。

這三者分別具體地表達了如下的含義：

一致性：指的是分布式系統中所有節點被寫入數據后，能立即的在任何一個其他的節點中能夠讀取到寫入的值。

可用性：指的是整個系統能夠一直正常的進行操作，來自客戶端的請求可以一直得到系統的正常響應。

聲音 | 分析師：有技術指標顯示比特幣或將漲至6萬美元:加密貨幣分析師Moon Overlord 6月16日發推稱，比特幣剛剛突破至非線性回歸曲線中值線上方。在我看來，這樣強勁的突破和收于此之上將引發牛市的全面爆發。比特幣上一次打破這一紀錄時，其價格從2500美元左右升至2萬美元。如果這次走勢類似，比特幣將達到6萬美元左右。[2019/6/17]

分區容錯性：指的是其中部分節點離線，或網絡出現故障的情況下，系統仍然能夠正常使用。

實際上，分布式系統的設計邏輯，闡述的是分布式系統的三個屬性中，只能有兩個是強限制的，而另外一個是弱限制的即可。

CAP理論中三元素可以兩兩組合,形成三種組合方式：

分析 | 部分技術指標顯示比特幣正處于買入周期:據彭博報道，GTI Vera收斂差異指標顯示，比特幣正處于6個月來最長的購買周期。如果買盤壓力像過去13天那樣持續，在去年下跌74%之后，比特幣價格可能繼續上漲。eToro分析師Mati Greenspan認為，從圖表技術分析上看，“我們更接近底部，而不是頂部”。此外，彭博加密指數正處于自9月上漲以來最長的“買入周期”。Bloomberg Intelligence分析師Mike McGlone表示，與應稅虧損相關的拋盤結束，可能是周三反彈的原因之一。[2019/1/3]

優先保證一致性與可用性，放棄分區容錯性：實際上不存在這樣設計的系統。因為一旦系統放棄了分區容錯性，那就意味著這個系統不再是一個分布式系統的構建方式。

優先保證一致性與分區容錯性，采用弱可用性：所謂的優先一致性與分區容錯性，就是設計系統能夠保證所有系統的一致，即便這種一致性在有節點離線的情況下也能保證。實際上系統會不斷的重復在系統的組成節點上進行數據同步，并且是強一致的同步。這就導致了系統中某一個節點存在寫入行為時，其他的節點不能夠寫入，只有數據同步后才可以完成。實際上大多數區塊鏈系統，尤其是經典的比特幣系統就是這樣的設計。在區塊鏈系統的一個區塊周期中，只有一個節點可以向網絡中寫入數據，其他節點的寫入都需要等待下一個區塊時間。

動態 | 英特爾技術主管將擔任Hyperledger技術指導委員會主席:據coindesk消息，英特爾技術主管Dan Middleton被選為Hyperledger技術指導委員會（TSC）主席，他將接替來自IBM的Christopher Ferris。[2018/9/7]

優先保證可用性與分區容錯性，采用弱一致性：這種情況下，系統往往會犧牲一定的一致性來保證整個系統可以一直接收來自外部的寫入請求。但是犧牲一致性不是不保證一致性，而是整個系統會隨著時間的推進，逐漸的達成一致的要求。

根據DCEP的設計邏輯，在一次的具體交易流程中，參與交易的雙方終端與數字貨幣登記系統構成了一個分布式系統。其中設備終端與登記系統都是這個系統中的節點。由于DCEP要求能夠進行離線交易，也就意味著在一次交易中，即便有節點完全無法在線，最終在網絡回復之后系統依舊能對交易的過程進行驗證，保證交易的正確性。

從這個角度來看，DCEP的設計是一種優先保證AP的設計。

但是這樣的設計會導致一個問題，那就是DCEP一定程度上放棄了一致性，會使得進行貨幣交易的時候有一定的雙花風險。DCEP通過雙重手段來降低與解決這種風險。

首先，DCEP的設計將系統出現不一致性的可能性不斷降低，保證非惡意情況下不會出現交易不一致的問題，同時能夠一定程度上抵御惡意的雙花。

同時，DCEP通過技術之外的手段保證了一旦發生惡意雙花情況，可以對進行違規操作的人進行追責與管理。

從這個角度上來說，DCEP的核心設計邏輯中，優先保障系統的可用性與系統的分區容錯性，在滿足這個前提的情況下盡量的提升系統的一致性。

離線支付與FLP不可能定理

上面從CAP理論的角度描述的了DCEP的整體設計邏輯。但實際上，在分布式系統領域有一個更基礎的理論，這個理論被稱為FLP不可能定理。

FLP定理講的是一個分布式的一個下限，原話說的是：在異步通信場景，即使只有一個節點失敗，也沒有任何算法能保證非失敗節點達到一致性。

展開來說，這里的異步場景指的是，節點與節點間的通訊，通訊雙方是不可能知道通訊失敗的事實的。

因為網絡中沒有預設節點發送信息的到達時間，所以節點收不到信息，只能被認為消息延遲了，而不是節點離線導致通訊失敗。

而在這樣的異步網絡環境下分布式系統是無法正常的運作的。

因為只要有一個節點出現問題，整個網絡中所有節點上的數據無法達成一致，即滿足上文所說的一致性。FLP定理指出了分布式系統正常運作的最低要求，只要我們的網絡環境不低于FLP中的要求，系統就能夠正確的運行。

放在DCEP的場景中，NLP定理同樣也指出了離線支付的最低限度，同時也表明了系統可能出現問題的地方。

DCEP如果想要保證離線支付完成的絕對正確性，就需要拋棄異步通訊假設，也就是需要對網絡通訊中錢包的離線時間做出限定，當錢包過久離線，交易就可能出現不一致的情況，可能會導致雙花問題的產生。

但如果我們真正需要這個場景，可以參考Paxos的實現，降低此情況下可能產生不一致的可能性，最后采用法律手段或者懲罰性手段保證系統的正常運行，由于DCEP的設計能夠保證系統識別雙花的出現，并且會自動將最后一筆交易作廢，通過這樣的方式，為違規使用DCEP花費的行為提供了依據。

本文原發于我公司“Curdata數字貨幣研究”頭條號和微信公眾號。

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