PPL:用三國殺講分布式算法 太舒適了吧？_PLE

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。

SEC向SDNY提交信函，要求對Ripple案提出上訴:金色財經報道，美國證券交易委員會周三表示，已向紐約南區（SDNY）提交了一封信函，請求對Torres法官7月13日在 SEC vs Ripple案中的簡易判決提出中間上訴。SEC在信中表示：SEC 尋求證明法院的判決，即被告通過加密資產交易平臺向 XRP 買家進行“程序化”要約和銷售，以及 Ripple 的“其他分配”以換取勞動力和服務，不涉及Howey測試下的證券要約或出售。

SEC在提交的文件中指出，Ripple 必須在 2023 年 8 月 16 日（自提交信件一周后）之前做出回應，并提議于 8 月 18 日提交一份開庭簡報，列出上訴。如果法官批準該文件，Ripple 將有兩周時間做出回應，SEC將再有一周的時間回復 Ripple。

金色財經此前報道，當天早些時候，法官宣布該案件定于 2024 年第二季度進行陪審團審判。[2023/8/10 16:16:39]

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。

瑞銀CEO：認為未來將朝著區塊鏈的方向發展:金色財經報道，瑞銀CEO Ermotti：認為未來將朝著區塊鏈的方向發展。瑞銀集團正在利用人工智能提升客戶服務質量。[2023/6/27 22:02:58]

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

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。

馬斯克的身價跌破2000億美元:11月9日消息，周二，特斯拉CEO埃隆·馬斯克的凈資產跌破2000億美元，投資者紛紛拋售特斯拉的股票，因為市場擔心他更專注于推特的業務。據《福布斯》，馬斯克目前的凈資產為1948億美元，其中很大一部分來自他在特斯拉近15%的股份。自從今年4月他出價收購推特以來，特斯拉的市值已經蒸發了近一半，他的凈資產也減少了700億美元。

投資者最初逃離特斯拉是因為擔心馬斯克出售股票，但如今，華爾街擔心馬斯克的工作量太大了。Infrastructure capital Management首席投資官Jay Hatfield表示:馬斯克似乎把100%的時間都花在了推特上，這家公司可能需要更多資金。(金十)[2022/11/9 12:36:26]

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。

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。

Meta盤前漲超3%:11月7日消息，Meta Platforms(META.O)盤前漲超3%，此前計劃從本周三開始大規模裁員。[2022/11/7 12:28:34]

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。

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。

數據：50,000,000枚USDC從USDC Treasury轉移至Coinbase:金色財經報道，Whale Alert數據顯示，50,000,000枚USDC從USDC Treasury轉移至Coinbase。[2022/10/29 11:54:43]

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。

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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