वितरित सिस्टम: सहमति एल्गोरिदम कार्यान्वयन की जटिलताओं को नेविगेट करना

आधुनिक प्रौद्योगिकी के विशाल, आपस में जुड़े परिदृश्य में, वितरित सिस्टम लगभग हर महत्वपूर्ण सेवा की रीढ़ की हड्डी बनाते हैं जिसका हम दैनिक उपयोग करते हैं। वैश्विक वित्तीय नेटवर्क और क्लाउड इंफ्रास्ट्रक्चर से लेकर रीयल-टाइम संचार प्लेटफार्मों और एंटरप्राइज अनुप्रयोगों तक, इन सिस्टम को कई स्वतंत्र कंप्यूटिंग नोड्स पर संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। अद्वितीय स्केलेबिलिटी, लचीलापन और उपलब्धता प्रदान करते हुए, यह वितरण एक गहरी चुनौती पेश करता है: सभी भाग लेने वाले नोड्स में एक सुसंगत और सहमत स्थिति बनाए रखना, तब भी जब कुछ अनिवार्य रूप से विफल हो जाते हैं। यह सहमति एल्गोरिदम का क्षेत्र है।

सहमति एल्गोरिदम वितरित वातावरण में डेटा अखंडता और परिचालन निरंतरता के मौन रक्षक हैं। वे मशीनों के एक समूह को नेटवर्क देरी, नोड क्रैश या यहां तक कि दुर्भावनापूर्ण व्यवहार के बावजूद एक एकल मान, संचालन के क्रम या राज्य परिवर्तन पर सहमत होने में सक्षम बनाते हैं। उनके बिना, हमारी डिजिटल दुनिया से अपेक्षित विश्वसनीयता चरमरा जाएगी। यह व्यापक मार्गदर्शिका सहमति एल्गोरिदम की जटिल दुनिया में गहराई से उतरती है, उनके मूलभूत सिद्धांतों की खोज करती है, प्रमुख कार्यान्वयनों की जांच करती है और वास्तविक दुनिया के वितरित सिस्टम में उनकी तैनाती के लिए व्यावहारिक अंतर्दृष्टि प्रदान करती है।

वितरित सहमति की मौलिक चुनौती

एक मजबूत वितरित सिस्टम का निर्माण स्वाभाविक रूप से जटिल है। मुख्य कठिनाई नेटवर्क की अतुल्यकालिक प्रकृति में निहित है, जहां संदेशों में देरी हो सकती है, वे खो सकते हैं, या उन्हें पुन: व्यवस्थित किया जा सकता है, और नोड स्वतंत्र रूप से विफल हो सकते हैं। एक ऐसे परिदृश्य पर विचार करें जहां कई सर्वरों को इस बात पर सहमत होने की आवश्यकता है कि कोई विशेष लेनदेन प्रतिबद्ध किया गया है या नहीं। यदि कुछ सर्वर सफलता की रिपोर्ट करते हैं जबकि अन्य विफलता की रिपोर्ट करते हैं, तो सिस्टम की स्थिति अस्पष्ट हो जाती है, जिससे डेटा में असंगति और संभावित परिचालन अराजकता होती है।

CAP प्रमेय और इसकी प्रासंगिकता

वितरित सिस्टम में एक मूलभूत अवधारणा CAP प्रमेय है, जिसमें कहा गया है कि एक वितरित डेटा स्टोर एक साथ निम्नलिखित तीन गुणों में से केवल दो की गारंटी दे सकता है:

• संगति: प्रत्येक रीड को सबसे हालिया राइट या एक त्रुटि प्राप्त होती है।
• उपलब्धता: प्रत्येक अनुरोध को एक प्रतिक्रिया प्राप्त होती है, बिना इस गारंटी के कि यह सबसे हालिया राइट है।
• विभाजन सहिष्णुता: सिस्टम मनमानी नेटवर्क विफलताओं (विभाजनों) के बावजूद काम करना जारी रखता है जो नोड्स के बीच संदेशों को छोड़ देते हैं।

वास्तविकता में, किसी भी पर्याप्त रूप से बड़े पैमाने के वितरित सिस्टम में नेटवर्क विभाजन अपरिहार्य हैं। इसलिए, डिजाइनरों को हमेशा विभाजन सहिष्णुता (P) का विकल्प चुनना चाहिए। यह संगति (C) और उपलब्धता (A) के बीच एक विकल्प छोड़ता है। सहमति एल्गोरिदम मुख्य रूप से विभाजनों (P) के सामने भी संगति (C) को बनाए रखने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, अक्सर नेटवर्क विभाजन के दौरान उपलब्धता (A) की कीमत पर। यह व्यापार-बंद तब महत्वपूर्ण होता है जब वित्तीय लेज़र या कॉन्फ़िगरेशन प्रबंधन सेवाओं जैसे सिस्टम को डिज़ाइन करते हैं जहां डेटा अखंडता सर्वोपरि होती है।

वितरित सिस्टम में दोष मॉडल

सिस्टम को मिलने वाले दोषों के प्रकारों को समझना प्रभावी सहमति तंत्र को डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण है:

• क्रैश दोष (फेल-स्टॉप): एक नोड बस काम करना बंद कर देता है। यह क्रैश और रीस्टार्ट हो सकता है, लेकिन यह गलत या भ्रामक संदेश नहीं भेजता है। यह सबसे आम और संभालने में सबसे आसान दोष है।
• क्रैश-रिकवरी दोष: क्रैश दोषों के समान, लेकिन नोड क्रैश से उबर सकते हैं और सिस्टम में फिर से शामिल हो सकते हैं, संभावित रूप से बासी स्थिति के साथ यदि इसे सही ढंग से नहीं संभाला गया।
• चूक दोष: एक नोड संदेश भेजने या प्राप्त करने में विफल रहता है, या संदेशों को छोड़ देता है। यह नेटवर्क समस्याओं या सॉफ़्टवेयर बग के कारण हो सकता है।
• बाइज़ेंटाइन दोष: सबसे गंभीर और जटिल। नोड मनमाने ढंग से व्यवहार कर सकते हैं, दुर्भावनापूर्ण या भ्रामक संदेश भेज सकते हैं, अन्य दोषपूर्ण नोड्स के साथ मिलीभगत कर सकते हैं, या यहां तक कि सक्रिय रूप से सिस्टम को तोड़फोड़ करने की कोशिश कर सकते हैं। इन दोषों को आमतौर पर ब्लॉकचेन या सैन्य अनुप्रयोगों जैसे अत्यधिक संवेदनशील वातावरण में माना जाता है।

FLP असंभवता परिणाम

एक शांत करने वाला सैद्धांतिक परिणाम, FLP असंभवता प्रमेय (फिशर, लिंच, पैटरसन, 1985), बताता है कि एक अतुल्यकालिक वितरित सिस्टम में, सहमति की गारंटी देना असंभव है, भले ही एक प्रक्रिया क्रैश हो जाए। यह प्रमेय सहमति प्राप्त करने की अंतर्निहित कठिनाई को उजागर करता है और रेखांकित करता है कि व्यावहारिक एल्गोरिदम अक्सर नेटवर्क सिंक्रोनी के बारे में धारणाएं क्यों बनाते हैं (उदाहरण के लिए, एक बाध्य समय के भीतर संदेश वितरण) या सभी परिदृश्यों में नियतात्मक होने के बजाय प्रगति को संभाव्य बनाने के लिए यादृच्छिकता और टाइमआउट पर भरोसा करते हैं। इसका मतलब है कि हालांकि एक सिस्टम को बहुत उच्च संभावना के साथ सहमति प्राप्त करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है, पूरी तरह से अतुल्यकालिक, विफलता-प्रवण वातावरण में पूर्ण निश्चितता सैद्धांतिक रूप से अप्राप्य है।

सहमति एल्गोरिदम में मूल अवधारणाएँ

इन चुनौतियों के बावजूद, व्यावहारिक सहमति एल्गोरिदम अपरिहार्य हैं। वे आम तौर पर मूल गुणों के एक सेट का पालन करते हैं:

• समझौता: सभी गैर-दोषपूर्ण प्रक्रियाएँ अंततः एक ही मान पर सहमत होती हैं।
• वैधता: यदि एक मान v पर सहमति हो जाती है, तो v को किसी प्रक्रिया द्वारा प्रस्तावित किया जाना चाहिए था।
• समाप्ति: सभी गैर-दोषपूर्ण प्रक्रियाएँ अंततः एक मान पर निर्णय लेती हैं।
• अखंडता: प्रत्येक गैर-दोषपूर्ण प्रक्रिया अधिक से अधिक एक मान पर निर्णय लेती है।

इन मूलभूत गुणों से परे, कई तंत्र आमतौर पर कार्यरत हैं:

• नेता चुनाव: कई सहमति एल्गोरिदम एक 'नेता' को नामित करते हैं जो मूल्यों को प्रस्तावित करने और समझौते की प्रक्रिया को व्यवस्थित करने के लिए जिम्मेदार होता है। यदि नेता विफल हो जाता है, तो एक नया नेता चुना जाना चाहिए। यह समन्वय को सरल करता है लेकिन अगर इसे मजबूती से नहीं संभाला जाता है तो विफलता का एक संभावित एकल बिंदु (प्रस्ताव के लिए, सहमत होने के लिए नहीं) पेश करता है।
• कोरम: हर नोड से सहमत होने की आवश्यकता के बजाय, सहमति अक्सर तब पहुंच जाती है जब नोड्स का एक 'कोरम' (एक बहुमत या एक विशिष्ट सबसेट) एक प्रस्ताव को स्वीकार करता है। यह सिस्टम को प्रगति करने की अनुमति देता है, भले ही कुछ नोड डाउन या धीमे हों। कोरम आकार को सावधानीपूर्वक चुना जाता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि कोई भी दो प्रतिच्छेदन कोरम हमेशा कम से कम एक सामान्य नोड साझा करेंगे, जिससे विरोधाभासी निर्णय नहीं होंगे।
• लॉग प्रतिकृति: सहमति एल्गोरिदम अक्सर कई मशीनों में कमांड के एक क्रम (एक लॉग) को दोहराकर संचालित होते हैं। प्रत्येक कमांड, एक बार सहमति से सहमत होने के बाद, लॉग में जोड़ा जाता है। यह लॉग तब एक 'राज्य मशीन' के लिए एक नियतात्मक इनपुट के रूप में कार्य करता है, यह सुनिश्चित करता है कि सभी प्रतिकृतियां एक ही क्रम में कमांड को संसाधित करें और एक ही स्थिति में पहुंचें।

लोकप्रिय सहमति एल्गोरिदम और उनके कार्यान्वयन

जबकि सहमति का सैद्धांतिक परिदृश्य विशाल है, कुछ एल्गोरिदम व्यावहारिक वितरित सिस्टम में प्रमुख समाधान के रूप में उभरे हैं। प्रत्येक जटिलता, प्रदर्शन और दोष सहिष्णुता विशेषताओं का एक अलग संतुलन प्रदान करता है।

पैक्सोस: वितरित सहमति का गॉडफादर

पहली बार 1990 में लेस्ली लैम्पोर्ट द्वारा प्रकाशित (हालांकि व्यापक रूप से बहुत बाद में समझा गया), पैक्सोस यकीनन सबसे प्रभावशाली और व्यापक रूप से अध्ययन किया गया सहमति एल्गोरिदम है। यह क्रैश-प्रवण प्रक्रियाओं के साथ एक अतुल्यकालिक नेटवर्क में सहमति प्राप्त करने की अपनी क्षमता के लिए प्रसिद्ध है, बशर्ते कि अधिकांश प्रक्रियाएं चालू हों। हालांकि, इसके औपचारिक विवरण को समझना कुख्यात रूप से कठिन है, जिससे यह कहावत बनी, "पैक्सोस सरल है, एक बार जब आप इसे समझ जाते हैं।"

पैक्सोस कैसे काम करता है (सरलीकृत)

पैक्सोस तीन प्रकार के प्रतिभागियों को परिभाषित करता है:

• प्रस्तावक: सहमत होने के लिए एक मूल्य प्रस्तावित करें।
• स्वीकर्ता: प्रस्तावित मूल्यों पर वोट करें। वे उच्चतम प्रस्ताव संख्या संग्रहीत करते हैं जिसे उन्होंने देखा है और उस मूल्य को जिसे उन्होंने स्वीकार किया है।
• शिक्षार्थी: पता लगाएं कि कौन सा मूल्य चुना गया है।

एल्गोरिदम दो मुख्य चरणों में आगे बढ़ता है:

1. चरण 1 (तैयार करें):
   • 1a (तैयार करें): एक प्रस्तावक स्वीकारकर्ताओं के बहुमत को एक नई, विश्व स्तर पर अद्वितीय प्रस्ताव संख्या n के साथ एक 'तैयार करें' संदेश भेजता है।
   • 1b (वादा): एक स्वीकारकर्ता, तैयार करें संदेश (n) प्राप्त होने पर, n से कम संख्या वाले किसी भी भविष्य के प्रस्तावों को अनदेखा करने के लिए 'वादा' के साथ प्रतिक्रिया करता है। यदि इसने पहले ही किसी पूर्व प्रस्ताव के लिए एक मूल्य स्वीकार कर लिया है, तो यह अपनी प्रतिक्रिया में उच्चतम-संख्या वाले स्वीकृत मूल्य (v_accepted) और इसकी प्रस्ताव संख्या (n_accepted) को शामिल करता है।
2. चरण 2 (स्वीकार करें):
   • 2a (स्वीकार करें): यदि प्रस्तावक को स्वीकारकर्ताओं के बहुमत से वादे प्राप्त होते हैं, तो यह अपने प्रस्ताव के लिए एक मूल्य v का चयन करता है। यदि किसी भी स्वीकारकर्ता ने पहले स्वीकृत मूल्य v_accepted की सूचना दी है, तो प्रस्तावक को उच्चतम n_accepted से जुड़े मूल्य को चुनना होगा। अन्यथा, यह अपना स्वयं का मूल्य प्रस्तावित कर सकता है। फिर यह उसी बहुमत वाले स्वीकारकर्ताओं को प्रस्ताव संख्या n और चुने हुए मूल्य v युक्त एक 'स्वीकार करें' संदेश भेजता है।
   • 2b (स्वीकृत): एक स्वीकारकर्ता, स्वीकार करें संदेश (n, v) प्राप्त होने पर, मूल्य v को स्वीकार करता है यदि उसने n से कम संख्या वाले प्रस्तावों को अनदेखा करने का वादा नहीं किया है। फिर यह शिक्षार्थियों को स्वीकृत मूल्य के बारे में सूचित करता है।

पैक्सोस के फायदे और नुकसान

• फायदे: अत्यधिक दोष-सहिष्णु (2f+1 नोड्स के बीच f क्रैश विफलताओं को सहन कर सकता है)। नेटवर्क विभाजन के दौरान भी सुरक्षा की गारंटी देता है (कभी भी गलत तरीके से निर्णय नहीं लेता है)। एक निश्चित नेता के बिना प्रगति कर सकता है (हालांकि नेता चुनाव इसे सरल करता है)।
• नुकसान: सही ढंग से समझने और लागू करने के लिए बेहद जटिल। विशिष्ट अनुकूलन (जैसे, मल्टी-पैक्सोस में प्रतिष्ठित नेता का उपयोग करना) के बिना जीवन शक्ति के मुद्दों (जैसे, बार-बार नेता चुनाव, जिससे भुखमरी होती है) से पीड़ित हो सकता है।

व्यावहारिक कार्यान्वयन और प्रकार

अपनी जटिलता के कारण, शुद्ध पैक्सोस को शायद ही कभी सीधे लागू किया जाता है। इसके बजाय, सिस्टम अक्सर मल्टी-पैक्सोस जैसे प्रकारों का उपयोग करते हैं, जो एक स्थिर नेता को क्रमिक रूप से कई मूल्यों का प्रस्ताव करके सहमति के कई दौरों में नेता चुनाव के ओवरहेड को कम करता है। Google की चबी लॉक सेवा, अपाचे ज़ूकीपर (ZAB, एक पैक्सोस-जैसे एल्गोरिथम का उपयोग करके), और विभिन्न वितरित डेटाबेस सिस्टम सहित पैक्सोस (या इसके डेरिवेटिव) से प्रभावित या सीधे उपयोग करने वाले सिस्टम के उदाहरण।

राफ्ट: समझदारी के लिए सहमति

राफ्ट को डिएगो ओंगारो और जॉन ओस्टरहाउट द्वारा स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में 'समझने योग्य' होने के स्पष्ट लक्ष्य के साथ विकसित किया गया था। जबकि पैक्सोस सहमति के लिए सैद्धांतिक न्यूनतम पर ध्यान केंद्रित करता है, राफ्ट एक अधिक संरचित और सहज दृष्टिकोण को प्राथमिकता देता है, जिससे इसे लागू करना और इसके बारे में तर्क करना काफी आसान हो जाता है।

राफ्ट कैसे काम करता है

राफ्ट अपने नोड्स और सरल राज्य परिवर्तनों के लिए स्पष्ट भूमिकाएँ परिभाषित करके संचालित होता है:

• नेता: सभी क्लाइंट अनुरोधों को संभालने, लॉग प्रविष्टियों का प्रस्ताव करने और उन्हें अनुयायियों को दोहराने के लिए जिम्मेदार प्राथमिक नोड। एक समय में केवल एक नेता होता है।
• अनुयायी: निष्क्रिय नोड जो केवल नेता से अनुरोधों का जवाब देते हैं और उम्मीदवारों के लिए वोट करते हैं।
• उम्मीदवार: एक राज्य जिसमें एक अनुयायी तब संक्रमण करता है जब उसे लगता है कि नेता विफल हो गया है, जिससे एक नया नेता चुनाव शुरू होता है।

राफ्ट दो प्रमुख तंत्रों के माध्यम से सहमति प्राप्त करता है:

1. नेता चुनाव: जब एक अनुयायी एक निश्चित टाइमआउट अवधि के लिए नेता से नहीं सुनता है, तो यह एक उम्मीदवार बन जाता है। यह अपनी वर्तमान अवधि (एक तार्किक घड़ी) को बढ़ाता है और अपने लिए वोट करता है। फिर यह अन्य नोड्स को 'अनुरोधवोट' आरपीसी भेजता है। यदि इसे बहुमत से वोट मिलते हैं, तो यह नया नेता बन जाता है। यदि कोई अन्य नोड नेता बन जाता है या विभाजित वोट होता है, तो एक नई चुनाव अवधि शुरू होती है।
2. लॉग प्रतिकृति: एक बार एक नेता चुने जाने के बाद, यह क्लाइंट कमांड प्राप्त करता है और उन्हें अपने स्थानीय लॉग में जोड़ता है। फिर यह इन प्रविष्टियों को दोहराने के लिए सभी अनुयायियों को 'एपेंडएंट्रीज़' आरपीसी भेजता है। एक लॉग प्रविष्टि तब प्रतिबद्ध होती है जब नेता ने इसे अपने अनुयायियों के बहुमत में दोहराया हो। केवल प्रतिबद्ध प्रविष्टियाँ ही राज्य मशीन पर लागू होती हैं।

राफ्ट के फायदे और नुकसान

• फायदे: पैक्सोस की तुलना में समझने और लागू करने में काफी आसान। मजबूत नेता मॉडल क्लाइंट इंटरैक्शन और लॉग प्रबंधन को सरल करता है। क्रैश विफलताओं के तहत सुरक्षा और जीवन शक्ति की गारंटी देता है।
• नुकसान: मजबूत नेता भारी लिखने वाले वर्कलोड के लिए एक बाधा हो सकता है (हालांकि यह कई उपयोग मामलों के लिए अक्सर स्वीकार्य होता है)। प्रगति के लिए एक स्थिर नेता की आवश्यकता होती है, जो लगातार नेटवर्क विभाजन या नेता विफलताओं से प्रभावित हो सकता है।

राफ्ट के व्यावहारिक कार्यान्वयन

समझने योग्यता के लिए राफ्ट के डिजाइन ने इसे व्यापक रूप से अपनाया है। प्रमुख उदाहरणों में शामिल हैं:

• etcd: कुबेरनेट्स द्वारा क्लस्टर समन्वय और राज्य प्रबंधन के लिए उपयोग किया जाने वाला एक वितरित कुंजी-मूल्य स्टोर।
• कंसल: एक सेवा जाल समाधान जो सेवा खोज और कॉन्फ़िगरेशन के लिए अपने उच्च उपलब्ध और सुसंगत डेटा स्टोर के लिए राफ्ट का उपयोग करता है।
• कॉकरोचडीबी: एक वितरित एसक्यूएल डेटाबेस जो अपने अंतर्निहित भंडारण और प्रतिकृति के लिए राफ्ट-आधारित दृष्टिकोण का उपयोग करता है।
• हैशीकॉर्प नोमैड: एक वर्कलोड ऑर्केस्ट्रेटर जो अपने एजेंटों के समन्वय के लिए राफ्ट का उपयोग करता है।

ZAB (ज़ूकीपर परमाणु प्रसारण)

ZAB अपाचे ज़ूकीपर के केंद्र में सहमति एल्गोरिदम है, जो एक व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली वितरित समन्वय सेवा है। पैक्सोस की तुलना में अक्सर, ZAB को विशेष रूप से ज़ूकीपर की राज्य परिवर्तनों के लिए एक व्यवस्थित, विश्वसनीय प्रसारण प्रदान करने और नेता चुनाव के प्रबंधन की आवश्यकताओं के अनुरूप बनाया गया है।

ZAB कैसे काम करता है

ZAB का उद्देश्य सभी ज़ूकीपर प्रतिकृतियों की स्थिति को सिंक्रनाइज़ रखना है। यह चरणों की एक श्रृंखला के माध्यम से इसे प्राप्त करता है:

1. नेता चुनाव: ज़ूकीपर एक परमाणु प्रसारण प्रोटोकॉल (जिसमें नेता चुनाव शामिल है) के एक भिन्नता का उपयोग करता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि एक भी नेता हमेशा सक्रिय रहे। जब वर्तमान नेता विफल हो जाता है, तो एक चुनाव प्रक्रिया शुरू होती है जहां नोड एक नए नेता के लिए वोट करते हैं, आमतौर पर सबसे अद्यतित लॉग वाले नोड।
2. खोज: एक बार एक नेता चुने जाने के बाद, यह अपने अनुयायियों से सबसे हालिया स्थिति निर्धारित करने के लिए खोज चरण शुरू करता है। अनुयायी अपने उच्चतम लॉग आईडी नेता को भेजते हैं।
3. सिंक्रनाइज़ेशन: नेता तब अपने अनुयायियों के साथ अपनी स्थिति को सिंक्रनाइज़ करता है, उन्हें अद्यतित करने के लिए किसी भी लापता लेनदेन को भेजता है।
4. प्रसारण: सिंक्रनाइज़ेशन के बाद, सिस्टम प्रसारण चरण में प्रवेश करता है। नेता नए लेनदेन (क्लाइंट लिखता है) का प्रस्ताव करता है, और इन प्रस्तावों को अनुयायियों को प्रसारित किया जाता है। एक बार अनुयायियों के बहुमत ने प्रस्ताव को स्वीकार कर लिया, नेता इसे प्रतिबद्ध करता है और प्रतिबद्ध संदेश प्रसारित करता है। तब अनुयायी प्रतिबद्ध लेनदेन को अपनी स्थानीय स्थिति पर लागू करते हैं।

ZAB की मुख्य विशेषताएं

• कुल आदेश प्रसारण पर ध्यान केंद्रित करता है, यह सुनिश्चित करता है कि सभी अपडेट सभी प्रतिकृतियों में एक ही क्रम में संसाधित हों।
• उच्च थ्रूपुट बनाए रखने के लिए नेता स्थिरता पर मजबूत जोर देता है।
• नेता चुनाव और राज्य सिंक्रनाइज़ेशन को मुख्य घटकों के रूप में एकीकृत करता है।

ZAB का व्यावहारिक उपयोग

अपाचे ज़ूकीपर अपाचे काफ्का, हडूप, एचबेस और सोलर सहित कई अन्य वितरित सिस्टम के लिए एक मूलभूत सेवा प्रदान करता है, जो वितरित कॉन्फ़िगरेशन, नेता चुनाव और नामकरण जैसी सेवाएं प्रदान करता है। इसकी विश्वसनीयता सीधे मजबूत ZAB प्रोटोकॉल से उपजी है।

बाइज़ेंटाइन दोष सहिष्णुता (BFT) एल्गोरिदम

जबकि पैक्सोस, राफ्ट और ZAB मुख्य रूप से क्रैश दोषों को संभालते हैं, कुछ वातावरणों को बाइज़ेंटाइन दोषों के खिलाफ लचीलापन की आवश्यकता होती है, जहां नोड दुर्भावनापूर्ण या मनमाने ढंग से व्यवहार कर सकते हैं। यह विशेष रूप से अविश्वासित वातावरण में प्रासंगिक है, जैसे कि सार्वजनिक ब्लॉकचेन या अत्यधिक संवेदनशील सरकारी/सैन्य सिस्टम।

व्यावहारिक बाइज़ेंटाइन दोष सहिष्णुता (PBFT)

PBFT, जिसे 1999 में कास्त्रो और लिस्कोव द्वारा प्रस्तावित किया गया था, सबसे प्रसिद्ध और व्यावहारिक BFT एल्गोरिदम में से एक है। यह एक वितरित प्रणाली को सहमति तक पहुंचने की अनुमति देता है, भले ही उसके एक-तिहाई नोड बाइज़ेंटाइन (दुर्भावनापूर्ण या दोषपूर्ण) हों।

PBFT कैसे काम करता है (सरलीकृत)

PBFT दृश्यों की एक श्रृंखला में काम करता है, प्रत्येक में एक नामित प्राथमिक (नेता) होता है। जब प्राथमिक विफल हो जाता है या दोषपूर्ण होने का संदेह होता है, तो एक नया प्राथमिक चुनने के लिए एक दृश्य परिवर्तन प्रोटोकॉल शुरू किया जाता है।

क्लाइंट अनुरोध के लिए सामान्य संचालन में कई चरण शामिल हैं:

1. क्लाइंट अनुरोध: एक क्लाइंट प्राथमिक नोड को एक अनुरोध भेजता है।
2. पूर्व-तैयारी: प्राथमिक अनुरोध को एक अनुक्रम संख्या असाइन करता है और सभी बैकअप (अनुयायी) नोड्स को एक 'पूर्व-तैयारी' संदेश मल्टीकास्ट करता है। यह अनुरोध के लिए एक प्रारंभिक क्रम स्थापित करता है।
3. तैयारी: एक पूर्व-तैयारी संदेश प्राप्त होने पर, बैकअप इसकी प्रामाणिकता को सत्यापित करते हैं और फिर प्राथमिक सहित अन्य सभी प्रतिकृतियों को एक 'तैयार करें' संदेश मल्टीकास्ट करते हैं। यह चरण सुनिश्चित करता है कि सभी गैर-दोषपूर्ण प्रतिकृतियां अनुरोधों के क्रम पर सहमत हैं।
4. प्रतिबद्ध: एक बार एक प्रतिकृति को एक विशिष्ट अनुरोध के लिए 2f+1 तैयार संदेश (अपने स्वयं सहित) प्राप्त हो जाते हैं (जहां f दोषपूर्ण नोड्स की अधिकतम संख्या है), तो यह अन्य सभी प्रतिकृतियों को एक 'प्रतिबद्ध' संदेश मल्टीकास्ट करता है। यह चरण सुनिश्चित करता है कि अनुरोध प्रतिबद्ध होगा।
5. जवाब: 2f+1 प्रतिबद्ध संदेश प्राप्त करने के बाद, एक प्रतिकृति क्लाइंट अनुरोध को निष्पादित करती है और क्लाइंट को वापस एक 'जवाब' भेजती है। क्लाइंट ऑपरेशन को सफल मानने से पहले f+1 समान उत्तरों की प्रतीक्षा करता है।

PBFT के फायदे और नुकसान

• फायदे: बाइज़ेंटाइन दोषों को सहन करता है, दुर्भावनापूर्ण प्रतिभागियों के साथ भी मजबूत सुरक्षा गारंटी सुनिश्चित करता है। नियतात्मक सहमति (कोई संभाव्य अंतिमता नहीं)।
• नुकसान: महत्वपूर्ण संचार ओवरहेड (प्रति सहमति दौर में O(n^2) संदेशों की आवश्यकता होती है, जहां n प्रतिकृतियों की संख्या है), जिससे स्केलेबिलिटी सीमित होती है। उच्च विलंबता। जटिल कार्यान्वयन।

PBFT के व्यावहारिक कार्यान्वयन

अपने ओवरहेड के कारण मुख्यधारा के बुनियादी ढांचे में कम आम होने के बावजूद, PBFT और इसके डेरिवेटिव उन वातावरणों में महत्वपूर्ण हैं जहां विश्वास को नहीं माना जा सकता है:

• हाइपरलेजर फैब्रिक: एक अनुमत ब्लॉकचेन प्लेटफॉर्म जो लेनदेन आदेश और अंतिमता के लिए PBFT (या एक मॉड्यूलर सहमति सेवा) के एक रूप का उपयोग करता है।
• विभिन्न ब्लॉकचेन परियोजनाएं: कई एंटरप्राइज ब्लॉकचेन और अनुमत वितरित लेज़र प्रौद्योगिकियां (DLTs) ज्ञात, लेकिन संभावित रूप से अविश्वसनीय प्रतिभागियों के बीच सहमति प्राप्त करने के लिए BFT एल्गोरिदम या विविधताओं का उपयोग करती हैं।

सहमति लागू करना: व्यावहारिक विचार

एक सहमति एल्गोरिदम का चयन और कार्यान्वयन एक महत्वपूर्ण उपक्रम है। एक सफल तैनाती के लिए कई व्यावहारिक कारकों पर सावधानीपूर्वक विचार किया जाना चाहिए।

सही एल्गोरिदम चुनना

एक सहमति एल्गोरिदम का चयन आपकी सिस्टम की विशिष्ट आवश्यकताओं पर बहुत अधिक निर्भर करता है:

• दोष सहिष्णुता आवश्यकताएँ: क्या आपको केवल क्रैश दोषों को सहन करने की आवश्यकता है, या क्या आपको बाइज़ेंटाइन विफलताओं के लिए जिम्मेदार होना चाहिए? अधिकांश उद्यम अनुप्रयोगों के लिए, राफ्ट या पैक्सोस जैसे क्रैश-दोष सहिष्णु एल्गोरिदम पर्याप्त और अधिक प्रदर्शन वाले होते हैं। अत्यधिक प्रतिकूल या अविश्वासित वातावरण (जैसे, सार्वजनिक ब्लॉकचेन) के लिए, BFT एल्गोरिदम आवश्यक हैं।
• प्रदर्शन बनाम संगति ट्रेड-ऑफ: उच्च संगति अक्सर उच्च विलंबता और कम थ्रूपुट के साथ आती है। मजबूत संगति बनाम घटनात्मक संगति के लिए अपने एप्लिकेशन की सहनशीलता को समझें। राफ्ट कई अनुप्रयोगों के लिए एक अच्छा संतुलन प्रदान करता है।
• कार्यान्वयन और रखरखाव में आसानी: राफ्ट की सादगी इसे नए कार्यान्वयनों के लिए एक लोकप्रिय विकल्प बनाती है। पैक्सोस, शक्तिशाली होने के दौरान, सही ढंग से प्राप्त करना कुख्यात रूप से कठिन है। अपनी इंजीनियरिंग टीम के कौशल सेट और दीर्घकालिक रखरखाव पर विचार करें।
• स्केलेबिलिटी की आवश्यकताएं: आपके क्लस्टर में कितने नोड होंगे? वे भौगोलिक रूप से कितने फैले होंगे? O(n^2) संचार जटिलता वाले एल्गोरिदम (जैसे PBFT) सैकड़ों या हजारों नोड्स तक नहीं बढ़ेंगे, जबकि नेता-आधारित एल्गोरिदम बड़े क्लस्टर को अधिक प्रभावी ढंग से प्रबंधित कर सकते हैं।

नेटवर्क विश्वसनीयता और टाइमआउट

सहमति एल्गोरिदम नेटवर्क स्थितियों के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होते हैं। कार्यान्वयन को मजबूती से संभालना चाहिए:

• नेटवर्क विलंबता: देरी सहमति दौर को धीमा कर सकती है, खासकर संचार के कई दौर की आवश्यकता वाले एल्गोरिदम के लिए।
• पैकेट हानि: संदेशों को छोड़ा जा सकता है। एल्गोरिदम को विश्वसनीय संदेश वितरण सुनिश्चित करने के लिए पुनः प्रयास और स्वीकृति का उपयोग करना चाहिए।
• नेटवर्क विभाजन: सिस्टम को विभाजनों का पता लगाने और उनसे उबरने में सक्षम होना चाहिए, संभावित रूप से विभाजन के दौरान संगति के लिए उपलब्धता का त्याग करना चाहिए।
• अनुकूली टाइमआउट: निश्चित टाइमआउट समस्याग्रस्त हो सकते हैं। गतिशील, अनुकूली टाइमआउट (जैसे, नेता चुनाव के लिए) सिस्टम को अलग-अलग नेटवर्क लोड और स्थितियों के तहत बेहतर प्रदर्शन करने में मदद कर सकते हैं।

राज्य मशीन प्रतिकृति (SMR)

सहमति एल्गोरिदम का उपयोग अक्सर राज्य मशीन प्रतिकृति (SMR) को लागू करने के लिए किया जाता है। SMR में, एक सेवा की सभी प्रतिकृतियां एक ही प्रारंभिक स्थिति में शुरू होती हैं और एक ही क्रम में क्लाइंट कमांड के एक ही अनुक्रम को संसाधित करती हैं। यदि कमांड नियतात्मक हैं, तो सभी प्रतिकृतियां राज्यों के एक ही क्रम के माध्यम से संक्रमण करेंगी, जिससे संगति सुनिश्चित होगी। सहमति एल्गोरिदम की भूमिका राज्य मशीन पर लागू किए जाने वाले कमांड के कुल क्रम पर सहमत होना है। यह दृष्टिकोण प्रतिकृति डेटाबेस, वितरित लॉक और कॉन्फ़िगरेशन सेवाओं जैसी दोष-सहिष्णु सेवाओं के निर्माण के लिए मौलिक है।

निगरानी और अवलोकन क्षमता

सहमति एल्गोरिदम के साथ एक वितरित सिस्टम को संचालित करने के लिए व्यापक निगरानी की आवश्यकता होती है। ट्रैक करने के लिए प्रमुख मैट्रिक्स में शामिल हैं:

• नेता स्थिति: वर्तमान नेता कौन सा नोड है? यह कब से नेता है?
• लॉग प्रतिकृति प्रगति: क्या अनुयायी नेता के लॉग से पीछे हट रहे हैं? प्रतिकृति अंतराल क्या है?
• सहमति दौर विलंबता: एक नई प्रविष्टि को प्रतिबद्ध करने में कितना समय लगता है?
• नेटवर्क विलंबता और पैकेट हानि: सभी नोड्स के बीच, खासकर नेता और अनुयायियों के बीच।
• नोड स्वास्थ्य: सभी प्रतिभागियों के लिए सीपीयू, मेमोरी, डिस्क आई/ओ।

इन मैट्रिक्स के आधार पर प्रभावी अलर्टिंग सहमति विफलताओं के कारण सेवा आउटेज को रोकने के लिए मुद्दों का त्वरित निदान और समाधान करने के लिए महत्वपूर्ण है।

सुरक्षा निहितार्थ

जबकि सहमति एल्गोरिदम समझौते को सुनिश्चित करते हैं, वे स्वाभाविक रूप से सुरक्षा प्रदान नहीं करते हैं। कार्यान्वयन पर विचार करना चाहिए:

• प्रमाणीकरण: यह सुनिश्चित करना कि केवल अधिकृत नोड ही सहमति प्रक्रिया में भाग ले सकते हैं।
• प्राधिकरण: यह परिभाषित करना कि प्रत्येक नोड को किन कार्यों (जैसे, मूल्यों का प्रस्ताव करना, मतदान करना) करने की अनुमति है।
• एन्क्रिप्शन: चोरी या छेड़छाड़ को रोकने के लिए नोड्स के बीच संचार की रक्षा करना।
• अखंडता: डिजिटल हस्ताक्षर या संदेश प्रमाणीकरण कोड का उपयोग यह सुनिश्चित करने के लिए कि पारगमन में संदेशों को बदला नहीं गया है, विशेष रूप से BFT सिस्टम के लिए महत्वपूर्ण है।

उन्नत विषय और भविष्य के रुझान

वितरित सहमति का क्षेत्र लगातार विकसित हो रहा है, चल रहे अनुसंधान और नई चुनौतियां उभर रही हैं।

गतिशील सदस्यता

कई सहमति एल्गोरिदम भाग लेने वाले नोड्स के एक स्थिर सेट को मानते हैं। हालांकि, वास्तविक दुनिया के सिस्टम को अक्सर स्केल अप या डाउन करने के लिए गतिशील सदस्यता परिवर्तन (नोड जोड़ना या हटाना) या विफल हार्डवेयर को बदलने की आवश्यकता होती है। संगति बनाए रखते हुए क्लस्टर सदस्यता को सुरक्षित रूप से बदलना एक जटिल समस्या है, और राफ्ट जैसे एल्गोरिदम के लिए इसके लिए अच्छी तरह से परिभाषित, बहु-चरण प्रोटोकॉल हैं।

भौगोलिक रूप से वितरित परिनियोजन (WAN विलंबता)

भौगोलिक रूप से फैले डेटा केंद्रों में सहमति एल्गोरिदम को तैनात करने से महत्वपूर्ण वाइड एरिया नेटवर्क (WAN) विलंबता शुरू होती है, जो प्रदर्शन को गंभीर रूप से प्रभावित कर सकती है। WAN के लिए अनुकूलित पैक्सोस या राफ्ट प्रकार (जैसे, तेज़ रीड के लिए स्थानीय क्षेत्रों के भीतर छोटे कोरम का उपयोग करना, या नेताओं को सावधानीपूर्वक रखना) जैसी रणनीतियों का पता लगाया जा रहा है। बहु-क्षेत्र परिनियोजन में अक्सर वैश्विक संगति और स्थानीय प्रदर्शन के बीच व्यापार-बंद शामिल होते हैं।

ब्लॉकचेन सहमति तंत्र

ब्लॉकचेन तकनीक के उदय ने सहमति में नई रुचि और नवाचार को जन्म दिया है। सार्वजनिक ब्लॉकचेन को एक अनूठी चुनौती का सामना करना पड़ता है: एक केंद्रीय प्राधिकरण के बिना अज्ञात प्रतिभागियों के एक बड़े, गतिशील और संभावित रूप से प्रतिकूल सेट के बीच सहमति प्राप्त करना। इसने नए सहमति तंत्र के विकास को जन्म दिया है:

• कार्य का प्रमाण (PoW): (जैसे, बिटकॉइन, एथेरियम 'द मर्ज' से पहले) लेज़र को सुरक्षित करने के लिए कम्प्यूटेशनल पहेली को हल करने पर निर्भर करता है, जिससे दुर्भावनापूर्ण अभिनेताओं के लिए इतिहास को फिर से लिखना महंगा हो जाता है।
• हिस्सेदारी का प्रमाण (PoS): (जैसे, 'द मर्ज' के बाद एथेरियम, सोलाना, कार्डानो) सत्यापनकर्ताओं को उस क्रिप्टोक्यूरेंसी की मात्रा के आधार पर चुना जाता है जिसे वे संपार्श्विक के रूप में 'दांव' लगाते हैं, ईमानदार व्यवहार को प्रोत्साहित करते हैं।
• सौंपा गया हिस्सेदारी का प्रमाण (DPoS): (जैसे, EOS, TRON) हितधारक लेनदेन को मान्य करने के लिए सीमित संख्या में प्रतिनिधियों का चुनाव करते हैं।
• निर्देशित अचक्रीय ग्राफ़ (DAGs): (जैसे, IOTA, Fantom) एक अलग डेटा संरचना लेनदेन के समानांतर प्रसंस्करण की अनुमति देती है, संभावित रूप से पारंपरिक ब्लॉक-आधारित सहमति के बिना उच्च थ्रूपुट की पेशकश करती है।

ये एल्गोरिदम अक्सर अलग-अलग गुणों (जैसे, सेंसरशिप प्रतिरोध, विकेंद्रीकरण, अंतिमता) को पारंपरिक वितरित सिस्टम सहमति की तुलना में प्राथमिकता देते हैं, जो आमतौर पर नोड्स के एक विश्वसनीय, बाध्य सेट के भीतर मजबूत संगति और उच्च उपलब्धता पर ध्यान केंद्रित करता है।

अनुकूलन और प्रकार

चल रहे शोध मौजूदा एल्गोरिदम को परिष्कृत करना और नए प्रस्तावित करना जारी रखते हैं। उदाहरणों में शामिल हैं:

• फास्ट पैक्सोस: सामान्य परिस्थितियों में संचार के एक दौर में मूल्यों को चुनने की अनुमति देकर विलंबता को कम करने के लिए डिज़ाइन किया गया एक प्रकार।
• समानतावादी पैक्सोस: कुछ परिदृश्यों में समन्वय के बिना एक साथ संचालित करने के लिए कई नेताओं या प्रस्तावक की अनुमति देकर थ्रूपुट को बेहतर बनाने का उद्देश्य है।
• सामान्यीकृत पैक्सोस: मूल्यों के अनुक्रमों और मनमानी राज्य मशीन संचालन पर समझौते की अनुमति देने के लिए पैक्सोस का विस्तार करता है।

निष्कर्ष

सहमति एल्गोरिदम वह आधारशिला हैं जिस पर विश्वसनीय वितरित सिस्टम बनाए जाते हैं। वैचारिक रूप से चुनौतीपूर्ण होने पर, आधुनिक सिस्टम आर्किटेक्चर की जटिलताओं में प्रवेश करने वाले किसी भी पेशेवर के लिए उनकी महारत आवश्यक है। पैक्सोस की कठोर सुरक्षा गारंटी से लेकर राफ्ट के उपयोगकर्ता-अनुकूल डिजाइन तक, और पीबीएफटी की मजबूत दोष सहिष्णुता तक, प्रत्येक एल्गोरिदम अनिश्चितता के सामने संगति सुनिश्चित करने के लिए ट्रेड-ऑफ का एक अनूठा सेट प्रदान करता है।

इन एल्गोरिदम को लागू करना सिर्फ एक अकादमिक अभ्यास नहीं है; यह उन प्रणालियों को इंजीनियर करने के बारे में है जो नेटवर्क और हार्डवेयर विफलताओं की अप्रत्याशित प्रकृति का सामना कर सकती हैं, जिससे दुनिया भर के उपयोगकर्ताओं के लिए डेटा अखंडता और निरंतर संचालन सुनिश्चित होता है। चूंकि वितरित सिस्टम क्लाउड कंप्यूटिंग, ब्लॉकचेन और वैश्विक स्तर की सेवाओं की कभी बढ़ती मांग से प्रेरित होकर विकसित हो रहे हैं, इसलिए सहमति एल्गोरिदम के सिद्धांत और व्यावहारिक अनुप्रयोग मजबूत और लचीला सिस्टम डिजाइन में सबसे आगे रहेंगे। इन मूलभूत बिल्डिंग ब्लॉक्स को समझने से इंजीनियरों को अगली पीढ़ी के अत्यधिक उपलब्ध और सुसंगत डिजिटल इंफ्रास्ट्रक्चर बनाने का अधिकार मिलता है जो हमारी आपस में जुड़ी दुनिया की सेवा करते हैं।