用三國殺講分佈式算法，溫馨了吧？

前言

《三國殺》是一款熱門的卡牌遊戲，結合中國三國時期背景，以身份爲線索，以卡牌爲形式，益智休閒，老小皆宜。

東漢末年，袁紹做爲盟主，匯合了十八路諸侯一塊兒攻打董卓。

在講解以前，咱們先聊下分佈式協議和算法總體脈絡。

如今不少開發同窗對分佈式的組件怎麼使用都有必定經驗，也知道 CAP 理論和 BASE 理論的大體含義。但認真去看分佈式算法的真的不多，緣由有三：

• 擔憂算法過於複雜，因此花的時間不多。

• 網上的資料能用大白話將分佈式算法講清楚的比較少。

• 學習分佈式算法沒有一條清晰的路線。

我會在後續的文章中用故事、大白話的方式來說解分佈式算法的原理，以及學習路線究竟是怎麼樣的。

學習路線

學習分佈式協議和算法的路線能夠是先學習四大基礎理論，做爲地基，再學習分佈式協議和算法，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

八大分佈式協議和算法

• Paxos 算法

• Raft 算法

• 一致性 Hash 算法

• Gossip 協議算法

• Quorum NWR 算法

• FBFT 算法

• POW 算法

• ZAB 協議

因篇幅緣由，本篇只涉及拜占庭將軍問題。

拜占庭將軍問題

你們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訊中的基本問題，

拜占庭位於現在的土耳其的伊斯坦布爾，是東羅馬帝國的首都。因爲當時拜占庭羅馬帝國國土遼闊，爲了達到防護目的，每一個軍隊都分隔很遠，將軍與將軍之間只能靠信差傳消息。在戰爭的時候，拜占庭軍隊內全部將軍和副官必須達成一致的共識，決定是否有贏的機會纔去攻打敵人的陣營。可是，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佈式領域最複雜的一個容錯模型，一旦理解它，就能掌握分佈式共識問題的解決思路，還能幫助你們理解經常使用的共識算法，也能夠幫助咱們在工做中選擇合適的算法，或者設計合適的算法。

爲何第一個基礎理論是拜占庭將軍問題？

由於它很好地抽象出了分佈式系統面臨的共識問題。 上面提到的 8 種分佈式算法中有 5 種跟拜占庭問題相關，能夠說弄懂拜占庭問題對後面學習其餘算法就會容易不少。

下面我用三國殺遊戲中的身份牌來說解拜占庭將軍問題。

三國殺身份牌

三國殺中主要有四種身份：主公、忠臣、反賊、內奸。每一個遊戲玩家都會得到一個身份牌。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： 消滅全部反賊和內奸

技巧： 以本身生存爲首要目標，分散反賊注意力。配合忠內剿滅反賊並判斷誰是忠誰是內。

忠臣

忠臣身份牌

獲勝條件：保護主公存活的前提下消滅全部反賊和內奸。

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：消滅主公便可獲勝。

技巧： 反賊做爲數量最多的身份，須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，最後與主公單挑成爲最後惟一輩子還者。

技巧：正確的戰術+ 冷靜的頭腦+ 運氣。

還原拜占庭問題

東漢末年，袁紹做爲盟主，匯合了十八路諸侯一塊兒攻打董卓。把董卓定爲反賊，袁紹定爲主公，另外有兩個忠臣和一個內奸，就選這三個風雲人物：曹操，劉備，孫堅（孫權的爸比），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，都看成忠臣對待了。

董卓是很是強大的，擁有精良的西涼兵，麾下還有戰神呂布。你們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。

要想幹掉董卓，袁紹必須統一忠臣的做戰計劃，三位忠臣還不知道有什麼其餘花花腸子，有一個仍是內奸。若是內奸暗通反賊董卓，給忠臣發送誤導性的做戰信息，該怎麼辦？另外假定這幾個忠臣都是經過書信交流做戰信息，若是書信被攔截了或書信裏面的信息被替換了咋辦？這些場景均可能擾亂做戰計劃，最後出現有的忠臣在進攻，有的忠臣撤退了。那麼反賊就能夠乘此機會發起進攻，逐一攻破。

袁紹原本就沒有曹操的機智，那他如何讓忠臣們達成共識，制定統一的做戰計劃呢？

上面的映射關係就是一個拜占庭將軍問題的一個簡化表述，袁紹如今面臨的就是典型的共識問題。也就是在可能有誤導信息的狀況下，採用合適的通信機制，讓多個將軍達成共識，制定一致性的做戰計劃。

一方選擇撤退

劉備、曹操、孫堅經過信使傳遞進攻或撤退的信息，而後進行協商，究竟是進攻仍是撤退。遵循少數服從多數，不容許棄權。

曹操疑心比較重，偵查了反賊的地形後，決定撤退。而劉備和孫堅定定進攻。

• 劉備決定進攻，經過信使告訴曹操和孫堅進攻。

• 曹操決定撤退，經過信使告訴劉備和孫堅撤退。

• 孫堅定定進攻，經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，本身的一張撤退票，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，曹操仍是會進攻。那麼三方的做戰方案都是進攻，因此是一個一致性的做戰方案。最後打敗了董卓。

內奸登場-撤退

由於咱們前期的設定，孫堅做爲內奸，早已與反賊董卓私下溝通好了，不攻打董卓。

• 劉備決定進攻，經過信使告訴曹操和孫堅進攻。

• 曹操決定撤退，經過信使告訴曹操和孫堅撤退。

• 孫堅定定撤退，經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，而本身又選擇撤退，因此劉備獲得的票數是：進攻 : 撤退 = 1 : 2，聽從少數服從多數的原則，劉備選擇最後選擇撤退，那麼三方的做戰方案都是撤退，因此也是一個一致性的做戰方案。

內奸使詐-一進一退

內奸看了上述計劃，發現忠臣都撤退了，並無被消滅，就想經過使詐的方式來消滅其中一個忠臣。

• 劉備決定進攻，經過信使告訴曹操和孫堅進攻。

• 曹操決定撤退，經過信使告訴曹操和孫堅撤退。

• 孫堅做爲內奸使詐，經過信使告訴劉備進攻，告訴曹操撤退。

內奸使詐-一進一退

那麼結果是什麼呢？

劉備的票數爲進攻 2 票，撤退 1 票，曹操的票數爲進攻 1 票，撤退 2 票。按照少數服從多數的原則，劉備最後會選擇進攻，而曹操會選擇撤退，孫堅做爲內奸確定不會進攻，劉備單獨進攻反賊董卓，勢單力薄，被董卓幹掉了。

從這個場景中，咱們看到內奸孫堅經過發送誤導信息，很是容易地就干擾了劉備和曹操的做戰計劃，致使兩位忠臣被逐一擊破。這個現象就是二忠一判難題。那麼主公袁紹該怎麼解決這個問題？

拜占庭問題解法

解法原理

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。而後 4 位將軍作了一個約定，若是沒有收到命令，則執行默認命令，好比撤退。另外約定流程來發送做戰信息和如何執行做戰指令。這個解法的關鍵點就是執行兩輪做戰信息協商。

咱們來看下第一輪是怎麼作的。

• 第一步：先發送做戰信息的將軍咱們把他稱爲 指揮官（袁紹），另外的將軍咱們稱做 副官（劉備，曹操，孫堅）。

• 第二步： 指揮官將他的做戰信息發送給全部的副官。

• 第三步：每一位 副官將從 指揮官處收到的做戰信息，做爲本身的做戰指令；假如沒有收到 指揮官的做戰信息，將把默認的撤退做爲做戰指令。

咱們用圖來演示：袁紹做爲主公先發送做戰信息，做戰指令爲進攻。而後曹操、劉備、孫堅收到進攻的做戰指令。

第一輪

再來看下第二輪是怎麼作的。

• 第一輪 指揮官（袁紹）已經發送指令了，如今就須要劉備、曹操、孫堅依次做爲 指揮官給其餘兩位 副將發送做戰信息。

• 而後這三位副將按照少數服從多數的原則，執行收到的做戰指令。

孫堅使詐 - 兩撤退

若是孫堅使詐，好比給曹操和劉備都發送撤退信息，以下圖所示。那麼劉備和曹操收到的做戰信息爲 進攻 2票，撤退 1 票，按照少數服從多數的原則，最後劉備和曹操執行進攻，實現了做戰計劃的一致性，曹操和劉備聯合做戰擊敗了反賊董卓（即便孫堅沒有參加做戰。）

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，那麼劉備收到的做戰信息是進攻 3票，確定會發起進攻了，而曹操收到的做戰信息是進攻 2 票，撤退 1 票，最後曹操仍是會進攻，因此劉備和曹操仍是聯合做戰擊敗了反賊董卓。

如此看來，引入了一位指揮官後，確實能夠避免孫堅使詐，但若是是孫堅在第一輪做爲指揮官，其餘人做爲副官呢？

孫堅使詐 - 一進一退

孫堅做爲指揮官

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。那麼第一輪的結果以下圖：

第一輪

第二輪孫堅休息，其餘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。

以下圖所示，最後曹操、劉備、袁紹收到的指令爲進攻 2 票，撤退 1 票，按照少數服從多數原則，三我的都是發起進攻。執行了一致的做戰計劃，保證做戰的勝利。

第二輪

小結

經過上面的演示，咱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。

若是叛將人數爲 m，將軍數 n >= 3m + 1，那麼就能夠解決拜占庭將軍問題。

前提條件：叛將數 m 一致，須要進行 m + 1 輪的做戰協商。

這個公式，你們只須要記住就能夠了，推到過程能夠參考論文。

好比上述的攻打董卓問題，曹操、劉備、孫堅三我的當中，孫堅是叛將，他可使詐，使做戰計劃不統一。必須增長一位忠臣袁紹來協商共識，才能達成一致性做戰計劃。

拜占庭解法二-簽名

那能夠在不增長忠臣的狀況下，解決拜占庭的二忠一判問題呢？

解法二就是經過簽名消息。好比將軍之間經過印章、虎符等信物進行通訊。來保證這幾個特徵：

• 簽名沒法僞造，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僞。

限於篇幅緣由，簽名的演示這裏就不作展開了，感興趣的@我，後續會加上。

總結

經過三國殺角色來說解分佈式中共識場景。那他們和分佈式系統的映射關係是怎麼樣的呢？

• 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 出現故障並會發送 誤導信息的計算機節點。

• 信使被殺對應 通信故障、 信息丟失。

• 信使被間諜替換對應爲通信被 惡意攻擊、 僞造信息或 劫持通信。

可不要小瞧拜占庭問題，它但是分佈式場景最複雜的的故障場景。好比在數字貨幣的區塊鏈技術中就有用到這些知識點。並且必須使用拜占庭容錯算法（也就是 Byzantine Fault Tolerance，BFT）。

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

有了拜占庭容錯算法，確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 算法就是解決分佈式系統中存在故障，但不存在惡意節點的場景下的共識問題。簡單來講就是可能因系統故障形成丟失消息或消息重複，但不存在錯誤消息、僞造消息。對應的算法有 Paxos 算法、Raft 算法、ZAB 協議。後續講解~

上面提到了 5 種算法，竟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？

這麼多算法該如何選擇？

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

巨人的肩膀：分佈式協議與算法，極客時間

- END -

建了學習交流羣，能夠掃碼加我，備註[加羣] 一塊兒進階！

我的二維碼

 

我是悟空，努力變強，變身超級賽亞人！

我是悟空，努力變強，變身超級賽亞人！手寫了一套 Spring Cloud 進階教程和 PMP 刷題小程序。
歡迎關注公衆號：悟空聊架構

本文分享自微信公衆號 - 悟空聊架構（PassJava666）。

若有侵權，請聯繫 support@oschina.cn 刪除。
本文參與「OSC源創計劃」，歡迎正在閱讀的你也加入，一塊兒分享。