BLOC:用三国杀讲分布式算法 太舒适了吧？

前言

《三国杀》是一款热门的卡牌游戏，结合中国三国时期背景，以身份为线索，以卡牌为形式，益智休闲，老少皆宜。

在讲解之前，我们先聊下分布式协议和算法整体脉络。

现在很多开发同学对分布式的组件怎么使用都有一定经验，也知道CAP理论和BASE理论的大致含义。但认真去看分布式算法的真的很少，原因有三：

担心算法过于复杂，所以花的时间很少。

网上的资料能用大白话将分布式算法讲清楚的比较少。

学习分布式算法没有一条清晰的路线。

我会在后续的文章中用故事、大白话的方式来讲解分布式算法的原理，以及学习路线到底是怎么样的。

1.学习路线

学习分布式协议和算法的路线可以是先学习四大基础理论，作为地基，再学习分布式协议和算法，就像是在地基上建房子。地基打好了，才能建更稳固的高楼大厦。

四大基础理论：

拜占庭将军问题

CAP理论

ACID理论

BASE理论

八大分布式协议和算法：

Paxos算法

Raft算法

一致性Hash算法

Gossip协议算法

QuorumNWR算法

FBFT算法

POW算法

ZAB协议

因篇幅原因，本篇只涉及拜占庭将军问题。

MakerDAO社区治理批准了新提出的Endgame计划:金色财经报道，社区治理最近批准了 MakerDAO 新提出的章程，这是朝着 Rune Christensen 的“Endgame”计划迈出的重要一步，该项目的 Endgame 的一部分是将现有的 Maker 核心单元团队转变为 metaDAO，也称为 subDAO，每个都有自己的治理代币。作为过渡的一部分，MakerDAO 现有的协议工程核心部门将在本月底解散，并进入新的运营框架。许多工程师也将离开团队。?

MakerDAO 协议工程师 Sam MacPherson 解释说，这一切都不应该让人感到意外。?Maker 正在经历很多变化，为下一阶段的去中心化做准备。Rune 的 Endgame 计划已经通过了治理投票，因此 Maker 被拆分成更小的 DAO，自然地，这涉及到人们四处走动到不同的位置，一些新人加入，一些人转向其他事情。[2023/4/8 13:51:11]

2.拜占庭将军问题

大家可能听过拜占庭将军问题。它是由莱斯利·兰伯特提出的点对点通信中的基本问题。

拜占庭位于如今的土耳其的伊斯坦布尔，是东罗马帝国的首都。由于当时拜占庭罗马帝国国土辽阔，为了达到防御目的，每个军队都分隔很远，将军与将军之间只能靠信差传消息。在战争的时候，拜占庭军队内所有将军和副官必须达成一致的共识，决定是否有赢的机会才去攻打敌人的阵营。但是，在军队内有可能存有叛徒和敌军的间谍，这个就是拜占庭容错问题。

实际上拜占庭问题是分布式领域最复杂的一个容错模型。一旦理解它，就能掌握分布式共识问题的解决思路，还能帮助大家理解常用的共识算法，也可以帮助我们在工作中选择合适的算法，或者设计合适的算法。

持有或丢失的比特币数量达到一个月高点:金色财经报道，据Glassnodes数据显示，持有或丢失的比特币数量刚刚达到7,529,843.961 BTC的一个月高点，此前的一个月高点为7,529,827.041 BTC。[2022/12/25 22:05:54]

为什么第一个基础理论是拜占庭将军问题？

因为它很好地抽象出了分布式系统面临的共识问题。上面提到的8种分布式算法中有5种跟拜占庭问题相关，可以说弄懂拜占庭问题对后面学习其他算法就会容易很多。

下面我用三国杀游戏中的身份牌来讲解拜占庭将军问题。

2.1三国杀身份牌

三国杀中主要有四种身份：主公、忠臣、反贼、内奸。每个游戏玩家都会获得一个身份牌。主公只有1个。忠臣最多2个，反贼最多4个，内奸最多一个。

主公

主公身份牌

获胜条件：消灭所有反贼和内奸

技巧：以自己生存为首要目标，分散反贼注意力。配合忠内剿灭反贼并判断谁是忠谁是内。

忠臣

忠臣身份牌

获胜条件：保护主公存活的前提下消灭所有反贼和内奸。

技巧：忠臣是主公的屏障，威慑反贼和内奸的天平。

反贼

反贼身份牌

获胜条件：消灭主公即可获胜。

技巧：反贼作为数量最多的身份，需要集中火力猛攻敌人弱点。正确的思路是获胜的关键。

内奸

内奸身份牌

Archblock与Adapt3r合作将美国社区银行引入DeFi:金色财经报道，无担保贷款协议TrueFi的核心开发商Archblock正在与另类资产管理公司MJL Capital的子公司Adapt3r合作，将美国监管的社区银行引入DeFi。

根据Archblock周四的新闻稿，这两家公司计划专注于扩大对链上信贷产品的访问并降低传统金融机构的资本成本。MJL Capital创始人兼首席投资官Marcus Leano表示：“我们的筹备中有许多资产规模从5亿美元到50亿美元不等且有稳定的放贷款的历史的银行。”Archblock的首席投资官Bill Wolf说：“对于可以利用该技术在链上有效构建和融资的金融资产的类型和范围没有任何限制。”该合作伙伴关系还凸显了DeFi的加速趋势，即与老式银行业务融为一体，并将银行贷款、抵押贷款和企业信贷等现实世界的资产引入基于区块链的协议。[2022/12/16 21:47:43]

获胜条件：先消灭反贼和忠臣，最后与主公单挑成为最后唯一生还者。

技巧：正确的战术冷静的头脑运气。

2.2还原拜占庭问题

东汉末年，袁绍作为盟主，汇合了十八路诸侯一起攻打董卓。把董卓定为反贼，袁绍定为主公，另外有两个忠臣和一个内奸，就选这三个风云人物：曹操，刘备，孙坚，内奸扮演的角色是忠臣，主公和两个忠臣不知道内奸的身份，都当作忠臣对待了。

董卓是非常强大的，拥有精良的西凉兵，麾下还有战神吕布。大家都知道三英站吕布的故事，吕布以一已之力对阵刘备、张飞、关羽三人。

要想干掉董卓，袁绍必须统一忠臣的作战计划，三位忠臣还不知道有什么其他花花肠子，有一个还是内奸。如果内奸暗通反贼董卓，给忠臣发送误导性的作战信息，该怎么办？另外假定这几个忠臣都是通过书信交流作战信息，如果书信被拦截了或书信里面的信息被替换了咋办？这些场景都可能扰乱作战计划，最后出现有的忠臣在进攻，有的忠臣撤退了。那么反贼就可以乘此机会发起进攻，逐一攻破。

Hive Blockchain：来自GPU挖矿的收入在9月份“急剧减少”:金色财经报道，比特币矿企Hive Blockchain表示，自以太坊合并后转向山寨币挖矿，来自GPU挖矿的收入“急剧减少”，从每日12万到15万美元下降至2万到3万美元。不过，GPU挖矿只是其业务的一小部分，Hive已将重心转移至比特币挖矿上，计划继续“扩大可持续绿色能源比特币挖矿，并在整个熊市周期中寻找新的增长机会”。

另外，该公司CEO表示已经基本上出售了所有的以太坊。截至9月底，Hive持有3,350枚BTC以及356枚ETH。[2022/10/13 10:33:26]

袁绍本来就没有曹操的机智，那他如何让忠臣们达成共识，制定统一的作战计划呢？

上面的映射关系就是一个拜占庭将军问题的一个简化表述，袁绍现在面临的就是典型的共识问题。也就是在可能有误导信息的情况下，采用合适的通讯机制，让多个将军达成共识，制定一致性的作战计划。

2.3一方选择撤退

刘备、曹操、孙坚通过信使传递进攻或撤退的信息，然后进行协商，到底是进攻还是撤退。遵循少数服从多数，不允许弃权。

曹操疑心比较重，侦查了反贼的地形后，决定撤退。而刘备和孙坚决定进攻。

刘备决定进攻，通过信使告诉曹操和孙坚进攻。

曹操决定撤退，通过信使告诉刘备和孙坚撤退。

孙坚决定进攻，通过信使告诉曹操和刘备进攻。

一方选择撤退

曹操收到的信息：进攻2票，自己的一张撤退票，票数一比，进攻票：撤退票=2:1，按照上面的少数服从多数原则进行投票表决，曹操还是会进攻。那么三方的作战方案都是进攻，所以是一个一致性的作战方案。最后战胜了董卓。

Wyre集成由 MoneyGram和Stellar提供支持的加密到现金服务:金色财经报道，加密货币基础设施提供商 Wyre 今天宣布与数字 P2P 支付发展的全球领导者速汇金上个月推出的首创的全球数字钱包开/关服务集成，在恒星网络。这项服务是在 Stellar Development Foundation (SDF) 的支持下推出的，这是一个支持 Stellar 发展和成长的非营利组织。（finextra）[2022/7/7 1:56:45]

2.4内奸登场-撤退

因为我们前期的设定，孙坚作为内奸，早已与反贼董卓私下沟通好了，不攻打董卓。

刘备决定进攻，通过信使告诉曹操和孙坚进攻。

曹操决定撤退，通过信使告诉曹操和孙坚撤退。

孙坚决定撤退，通过信使告诉曹操和刘备撤退。

内奸登场-撤退

刘备收到进攻和撤退各一票，而自己又选择撤退，所以刘备得到的票数是：进攻:撤退=1:2，遵从少数服从多数的原则，刘备选择最后选择撤退，那么三方的作战方案都是撤退，所以也是一个一致性的作战方案。

2.5内奸使诈-一进一退

内奸看了上述计划，发现忠臣都撤退了，并没有被消灭，就想通过使诈的方式来消灭其中一个忠臣。

刘备决定进攻，通过信使告诉曹操和孙坚进攻。

曹操决定撤退，通过信使告诉曹操和孙坚撤退。

孙坚作为内奸使诈，通过信使告诉刘备进攻，告诉曹操撤退。

内奸使诈-一进一退

那么结果是什么呢？

刘备的票数为进攻2票，撤退1票，曹操的票数为进攻1票，撤退2票。按照少数服从多数的原则，刘备最后会选择进攻，而曹操会选择撤退，孙坚作为内奸肯定不会进攻，刘备单独进攻反贼董卓，势单力薄，被董卓干掉了。

从这个场景中，我们看到内奸孙坚通过发送误导信息，非常容易地就干扰了刘备和曹操的作战计划，导致两位忠臣被逐一击破。这个现象就是二忠一判难题。那么主公袁绍该怎么解决这个问题？

3.拜占庭问题解法

解法一原理

就是将袁绍也参与进来进行投票，这样就??????????增加了一位忠臣的数量??????????。三个忠臣一个叛贼。然后4位将军做了一个约定，如果没有收到命令，则执行默认命令，比如撤退。另外约定流程来发送作战信息和如何执行作战指令。这个解法的关键点就是执行两轮作战信息协商。

3.1袁绍作为指挥官

我们来看下第一轮是怎么做的。

先发送作战信息的将军我们把他称为指挥官，另外的将军我们称作副官。

指挥官将他的作战信息发送给所有的副官。

每一位副官将从指挥官处收到的作战信息，作为自己的作战指令；假如没有收到指挥官的作战信息，将把默认的撤退作为作战指令。

我们用图来演示：袁绍作为主公先发送作战信息，作战指令为进攻。然后曹操、刘备、孙坚收到进攻的作战指令。

第一轮

再来看下第二轮是怎么做的。

第一轮指挥官已经发送指令了，现在就需要刘备、曹操、孙坚依次作为指挥官给其他两位副将发送作战信息。

然后这三位副将按照少数服从多数的原则，执行收到的作战指令。

孙坚使诈-两撤退

如果孙坚使诈，比如给曹操和刘备都发送撤退信息，如下图所示。那么刘备和曹操收到的作战信息为进攻2票，撤退1票，按照少数服从多数的原则，最后刘备和曹操执行进攻，实现了作战计划的一致性，曹操和刘备联合作战击败了反贼董卓

孙坚使诈-两撤退

孙坚使诈-一进一退

假如孙坚使诈，给曹操发送撤退指令，给刘备发送进攻指令，那么刘备收到的作战信息是进攻3票，肯定会发起进攻了，而曹操收到的作战信息是进攻2票，撤退1票，最后曹操还是会进攻，所以刘备和曹操还是联合作战击败了反贼董卓。

如此看来，引入了一位指挥官后，确实可以避免孙坚使诈，但如果是孙坚在第一轮作为指挥官，其他人作为副官呢？

孙坚使诈-一进一退

3.2孙坚作为指挥官

第一轮孙坚向其中一个副官袁绍发送撤退指令，向另外两个副官曹操、刘备发送进攻指令。那么第一轮的结果如下图：

第一轮

第二轮孙坚休息，其他副官按照孙坚发送的指令开始向另外的副官发送指令。

曹操向刘备和袁绍发送进攻指令。

刘备向曹操和袁绍发送进攻指令。

袁绍向曹操和刘备发送撤退指令。

如下图所示，最后曹操、刘备、袁绍收到的指令为进攻2票，撤退1票，按照少数服从多数原则，三个人都是发起进攻。执行了一致的作战计划，保证作战的胜利。

第二轮

3.3小结

通过上面的演示，我们知道了如何解决拜占庭将军问题。其实兰伯特在他的论文中也提到过如何解决。

如果叛将人数为m，将军数n>=3m1，那么就可以解决拜占庭将军问题。

前提条件：叛将数m一致，需要进行m1轮的作战协商。

这个公式，大家只需要记住就可以了，推到过程可以参考论文。

比如上述的攻打董卓问题，曹操、刘备、孙坚三个人当中，孙坚是叛将，他可以使诈，使作战计划不统一。必须增加一位忠臣袁绍来协商共识，才能达成一致性作战计划。

拜占庭解法二——签名

那可以在不增加忠臣的情况下，解决拜占庭的二忠一判问题吗？

解法二就是通过签名消息。比如将军之间通过印章、虎符等信物进行通信。来保证这几个特征：

签名无法伪造，对签名消息的内容进行任何更改都会被发现。

任何人都能验证将军签名的真伪。

限于篇幅原因，签名的演示这里就不做展开了。

总结

通过《三国杀》角色来讲解分布式中共识场景。那他们和分布式系统的映射关系是怎么样的呢？

将军对应计算机节点。

忠臣的将军对应正常运行的计算机节点。

叛变的将军对应出现故障并会发送误导信息的计算机节点。

信使被杀对应通讯故障、信息丢失。

信使被间谍替换对应为通讯被恶意攻击、伪造信息或劫持通讯。

可不要小瞧拜占庭问题，它可是分布式场景最复杂的的故障场景。比如在数字货币的区块链技术中就有用到这些知识点。而且必须使用拜占庭容错算法。

拜占庭容错算法还有FBFT算法，PoW算法，当然不会在这篇中去讲这些算法，后续再讲解。一口吃不了大胖子~

有了拜占庭容错算法，肯定有非拜占庭容错算法，顾名思义，就是没有发送误导信息的节点。CFT算法就是解决分布式系统中存在故障，但不存在恶意节点的场景下的共识问题。简单来说就是可能因系统故障造成丢失消息或消息重复，但不存在错误消息、伪造消息。对应的算法有Paxos算法、Raft算法、ZAB协议。后续讲解~上面提到了5种算法，居然都是跟拜占庭问题有关，你说今天讲的拜占庭问题重要不重要？

这么多算法该如何选择？

节点可信，选非拜占庭容错算法。否则就用拜占庭容错算法，如区块链中用到的PoW算法。

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