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拜占庭问题 口头协议递归算法的思考

拜占庭问题 口头协议递归算法的思考

作者: 西部小笼包 | 来源:发表于2020-02-14 18:13 被阅读0次

    第12章 拜占庭容错
    这篇文章中,我们大概介绍了拜占庭问题要解决的问题。但是关于口头协议的递归算法本身,之后我产生了很大的困惑。
    在经过了一整晚的阅读理解摸索之后,大概明白了这边递归算法是如何运作的。
    相关JAVA代码实现在这里:https://github.com/yixuaz/ByzantineProblem

    首先,不知道小伙伴可以先看一下李永乐讲拜占庭问题是什么?
    https://www.bilibili.com/video/av78588312?from=search&seid=10588730237103569649
    但是这边最后他对递归讲解草草结束了。

    首先要把口头协议要解决的问题给提出来,如下

    IC1:所有忠诚的副官遵守一个命令,即一致性。

    IC2:若司令是忠诚的,每一个忠诚的副官遵守他发出的命令,即正确性

    如果司令不是忠诚的,忠诚的副官只要遵守一个命令就为满足。

    口头协议的假设

    A1.每个发送的消息都会被正确的传输

    A2.消息的接收者知道是发送者是谁

    A3.消息的缺席可以检测出来

    假设A1和A2是防止叛徒介入其他两个将军的通信中,根据A1,他无法妨碍其他两位将军发送的消息,根据A2他不能伪造消息来搅乱其他两位将军的交流。假设A3是为了防止一个叛徒通过简单的不发送消息来阻止一次决定。

    image.png

    一个叛变的发令者可能会决定不发送任何命令。由于下属们必须遵守相同的命令,因此这种情况下他们必须有一个默认的命令。我们使用RETREAT作为该默认命令。

    这样就可以在将军是叛徒的时候依然满足上述的IC1。

      口头协议算法OM(m)
       OM(0)算法
    
       (1)司令将他的命令发送给每个副官。
    
       (2)每个副官采用从司令发来的命令;如果没有收到命令,则默认为撤退命令。
    
       OM(m)算法
    
       (1)司令将他的命令发送给每个副官。
    
       (2)对于每个i,vi是每个副官i从司令收到的命令,如果没有收到命令,则默认为撤退命令。副官i在OM(m-1) 中作为发令者将之发送给另外n-2 个副官。
    
       (3)对于每个i,和每个j ≠ i,vj 是副官i 从第2步中的副官j (使用OM(m-1)算法)发送过来的命令,如果没有收到第2步中副官j 的命令,则默认为撤退命令。最后副官i 使用majority(v1,…,vn-1)得到命令。
    
       其中,majority(v1,…,vn-1)代表了大多数人的命令,若不存在则默认为撤退命令。
    

    在M=1的时候,非常容易理解,李永乐的视频里先分析透彻了。我下面重点讲一下M=2,是怎么一回事。
    首先这个算法要发的消息数量应该是n^m


    image.png

    首先视频里讲到了,5和6 是叛徒的情况。


    image.png

    当将军给L1发送一个A的时候,L1是无法知道将军是不是叛徒,所以他还需要去问其他人将军给他发了什么(和M=1的时候一样)
    这个时候L1 收集到了其他5个节点发来的消息告诉L1,将军给他们发的是什么。 但是这个消息可能也是不准的,因为存在2个叛徒。所以需要再递归一轮,那么下一轮如何发消息呢?

    算法步骤里说自己作为发令者将之发送给另外n-2 个副官。
    和上述L1去问其他人将军给他发什么 要结合起来思考。(这个就是难点)

    其实当有2个叛徒的时候。将军发了一个消息,所有副官会主动告知其余副官将军发的是什么(这个时候,从该副官的角度,他给剩余的N-2个人(除将军和他自己)发了消息,做法和将军给他们发一样,所以这样一个等价)
    那么当有2个叛徒的时候,只发一次是不够的。从L1的角度来看,他首先会收到将军发来的指令,其次他会收到其余5个副官发来的将军给他们发的指令是什么的消息。同时他自己会告诉其余5个副官,将军给L1发的是什么。
    这个时候,不足以得出结论。因为有2个叛徒。

    假设L1告诉其余5个副官,将军给L1发的是什么,这里的L1作为递归函数那层的将军,那么L2 收到了L1的这个消息,还需要去和L3,L4,L5,L6来确认他们收到的L1告诉他们的 ,将军给L1发的是什么的消息,来选MAJORITY作为他们得到的将军给L1的发的指令的真实值。

    所以我们看到最大的区别在于,在M=1(叛徒有1个)的时候,L1告诉其他人将军给他发什么,其他人直接就记下来了,不会再去质疑。他们质疑的将军的命令是不是真实值(质疑的方式就是用MAJORITY来综合所有人收到的消息)

    但是当M=2时,L1告诉其他人将军给他发什么,他们不能直接相信并记录,他们需要排除L1和将军,在内部在交换一次意见,选出MAJORITY作为这个值的真实值。

    所以李永乐最后画的那张表, 他的含义是


    image.png

    从副官1的角度,他要得出将军的真实目的。首先他自己就是存的将军告诉他的,为A。
    其次L2会告诉他将军给他发的是什么,这张图里是A,随后要L3告诉他L1(L2告诉L3的将军发给L2的指令是什么),在这张图里是第三行,第三列的那个A。
    随后要L4告诉他L1(L2告诉L4的,将军发给L2的指令是什么),在这张图里是第三行,第4列的那个A。以此类推
    所以L1在计算L2的值的时候,要从整个第二行取 MARJORITY来得出L2的将军告诉L2的指令的真实值是A。
    递归就是这么一个过程。
    所以我们可以看到当N=7,M=2
    要发的消息数量是
    将军发6个。
    L1需要发给另外5个,将军告诉他的命令的消息。同时需要告诉另外5个(Li(i=2,3,4,5,6;排除掉K自己)告诉他的将军告诉Lk的指令)这里是5 * 4=20 条消息

    所以是n^m的消息代价。

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