Sprendimų priėmimas paskirstytosiose sistemose: išsami sutarimo algoritmų analizė

Šiuolaikiniame skaitmeniniame pasaulyje paskirstytosios sistemos yra daugybės programų pagrindas – nuo internetinės bankininkystės ir el. prekybos platformų iki socialinių tinklų ir blokų grandinių technologijų. Šios sistemos iš prigimties yra decentralizuotos, o tai reiškia, kad duomenys ir apdorojimas yra paskirstyti tarp daugelio mašinų. Pagrindinis iššūkis tokiose sistemose yra pasiekti sutarimą – užtikrinti, kad visi tinklo mazgai sutartų dėl vienos, nuoseklios būsenos, net ir esant gedimams bei piktavališkiems veikėjams. Būtent čia į pagalbą pasitelkiami sutarimo algoritmai.

Kas yra sutarimo algoritmai?

Sutarimo algoritmai yra protokolai, leidžiantys paskirstytai sistemai pasiekti sutarimą dėl vienos duomenų vertės ar būsenos, nepaisant galimų gedimų ar priešiško elgesio. Jie suteikia mechanizmą sistemos mazgams koordinuoti ir priimti sprendimus kolektyviai, užtikrinant duomenų nuoseklumą ir patikimumą.

Įsivaizduokite scenarijų, kai keli banko serveriai turi atnaujinti kliento sąskaitos likutį. Be sutarimo mechanizmo, vienas serveris galėtų apdoroti indėlį, o kitas tuo pačiu metu – išėmimą, o tai lemtų nenuoseklius duomenis. Sutarimo algoritmai užkerta kelią tokiems neatitikimams, užtikrindami, kad visi serveriai sutartų dėl šių operacijų tvarkos ir rezultato.

Kodėl sutarimo algoritmai yra svarbūs?

Sutarimo algoritmai yra labai svarbūs kuriant tvirtas ir patikimas paskirstytąsias sistemas dėl kelių priežasčių:

• Atsparumas gedimams: Jie leidžia sistemai toliau tinkamai veikti, net jei kai kurie mazgai sugenda arba tampa nepasiekiami. Tai ypač svarbu sistemose, kurios turi būti labai prieinamos, pavyzdžiui, finansų institucijose ar greitojo reagavimo sistemose. Pavyzdžiui, jei vienas serveris duomenų centre sugenda, kiti serveriai vis tiek gali pasiekti sutarimą ir išlaikyti duomenų vientisumą.
• Duomenų nuoseklumas: Jie užtikrina, kad visi sistemos mazgai turėtų tą patį duomenų vaizdą, taip išvengiant neatitikimų ir konfliktų. Tai labai svarbu programoms, kurioms reikalingas didelis duomenų tikslumas, pavyzdžiui, medicininiams įrašams ar tiekimo grandinės valdymui.
• Bizantijos gedimų tolerancija: Kai kurie pažangūs sutarimo algoritmai gali toleruoti Bizantijos gedimus, kai mazgai gali elgtis savavališkai, įskaitant neteisingos ar kenkėjiškos informacijos siuntimą. Tai ypač svarbu sistemose, kuriose pasitikėjimas nėra garantuotas, pavyzdžiui, blokų grandinių tinkluose.
• Saugumas: Įpareigodami mazgus pasiekti sutarimą, sutarimo algoritmai gali padėti išvengti atakų, kuriomis bandoma manipuliuoti duomenimis ar juos sugadinti. Jie suteikia saugų pagrindą patikimų paskirstytųjų programų kūrimui.

Sutarimo algoritmų tipai

Yra daug skirtingų sutarimo algoritmų tipų, kurių kiekvienas turi savo stipriąsias ir silpnąsias puses. Štai keletas dažniausiai naudojamų algoritmų:

1. Paxos

Paxos yra sutarimo algoritmų šeima, plačiai naudojama paskirstytosiose sistemose. Jis žinomas dėl savo tvirtumo ir gebėjimo toleruoti gedimus, tačiau jį taip pat gali būti sudėtinga įdiegti ir suprasti.

Kaip veikia Paxos:

Paxos apima trijų tipų veikėjus: Siūlytojus (Proposers), Priėmėjus (Acceptors) ir Besimokančiuosius (Learners). Algoritmas vyksta dviem etapais:

• 1 etapas (Paruošimas): Siūlytojas siunčia Paruošimo užklausą (Prepare request) Priėmėjų daugumai, siūlydamas vertę. Priėmėjai pažada ignoruoti bet kokias būsimas Paruošimo užklausas su mažesniais pasiūlymų numeriais.
• 2 etapas (Priėmimas): Jei Siūlytojas gauna pažadus iš Priėmėjų daugumos, jis siunčia Priėmimo užklausą (Accept request) su siūloma verte. Priėmėjai priima vertę, jei dar nepriėmė vertės su didesniu pasiūlymo numeriu.

Kai Priėmėjų dauguma priima vertę, Besimokantieji yra informuojami, ir vertė laikoma pasirinkta.

Pavyzdys: "Google" "Chubby" užrakto paslauga naudoja į Paxos panašų algoritmą, kad pasiektų sutarimą tarp savo serverių. Tai užtikrina, kad visos "Google" paslaugos turėtų nuoseklų užrakto būsenos vaizdą, taip išvengiant duomenų sugadinimo ir konfliktų.

2. Raft

Raft yra sutarimo algoritmas, sukurtas taip, kad būtų suprantamesnis nei Paxos. Jis pasiekia sutarimą per lyderio rinkimų procesą ir replikuotą žurnalą.

Kaip veikia Raft:

Raft padalija sistemą į tris vaidmenis: Lyderius (Leaders), Sekėjus (Followers) ir Kandidatus (Candidates). Algoritmas veikia trijose būsenose:

• Lyderio rinkimai: Jei Sekėjas per tam tikrą laiką negauna širdies dūžio (heartbeat) iš Lyderio, jis tampa Kandidatu ir pradeda rinkimus.
• Žurnalo replikacija: Lyderis replikuoja savo žurnalo įrašus Sekėjams. Jei Sekėjo žurnalas atsilieka, jį atnaujina Lyderis.
• Saugumas: Raft užtikrina, kad tik Lyderis gali patvirtinti naujus žurnalo įrašus ir kad visi patvirtinti įrašai galiausiai būtų replikuoti visiems Sekėjams.

Pavyzdys: etcd, paskirstyta raktų ir reikšmių saugykla, kurią naudoja Kubernetes, savo sutarimo mechanizmui naudoja Raft. Tai užtikrina, kad Kubernetes klasterio būsena būtų nuosekli visuose mazguose.

3. Darbo įrodymas (Proof-of-Work, PoW)

Darbo įrodymas (Proof-of-Work, PoW) yra sutarimo algoritmas, naudojamas daugelyje kriptovaliutų, pavyzdžiui, "Bitcoin". Jame dalyvaujantys kasėjai (miners) sprendžia skaičiavimo požiūriu sudėtingus galvosūkius, kad patvirtintų operacijas ir pridėtų naujus blokus į blokų grandinę.

Kaip veikia Darbo įrodymas:

Kasėjai konkuruoja spręsdami kriptografinį galvosūkį. Pirmasis kasėjas, radęs sprendimą, transliuoja jį tinklui. Kiti mazgai patikrina sprendimą ir, jei jis galioja, prideda bloką į blokų grandinę.

Galvosūkio sudėtingumas periodiškai koreguojamas, siekiant išlaikyti pastovų blokų kūrimo laiką. Tai neleidžia piktavaliams lengvai dominuoti tinkle.

Pavyzdys: "Bitcoin" naudoja PoW savo blokų grandinei apsaugoti. Kasėjai sunaudoja daug skaičiavimo išteklių galvosūkiams spręsti, todėl piktavaliams brangu ir sunku klastoti blokų grandinę.

4. Statymo įrodymas (Proof-of-Stake, PoS)

Statymo įrodymas (Proof-of-Stake, PoS) yra alternatyva Darbo įrodymui, kuria siekiama didesnio energijos vartojimo efektyvumo. PoS sistemoje tikrintojai (validators) yra atrenkami kurti naujus blokus pagal turimos ir norimos "statyti" kaip užstato kriptovaliutos kiekį.

Kaip veikia Statymo įrodymas:

Tikrintojai atrenkami atsitiktinai arba pagal tokius veiksnius kaip statymo amžius ir monetos amžius. Pasirinktas tikrintojas pasiūlo naują bloką, o kiti tikrintojai patvirtina jo galiojimą.

Jei blokas yra galiojantis, jis pridedamas prie blokų grandinės, o tikrintojas gauna atlygį. Jei tikrintojas bando sukurti negaliojantį bloką, jis gali prarasti savo statymą.

Pavyzdys: "Ethereum" pereina prie Statymo įrodymo sutarimo mechanizmo, siekdama sumažinti energijos suvartojimą ir pagerinti savo mastelį.

5. Praktinė Bizantijos gedimų tolerancija (Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT)

Praktinė Bizantijos gedimų tolerancija (PBFT) yra sutarimo algoritmas, galintis toleruoti Bizantijos gedimus, kai mazgai gali elgtis savavališkai, įskaitant neteisingos ar kenkėjiškos informacijos siuntimą.

Kaip veikia PBFT:

PBFT apima lyderio mazgą ir replikų mazgų rinkinį. Algoritmas vyksta trimis etapais:

• Pasirengimas (Pre-prepare): Lyderis pasiūlo naują bloką replikoms.
• Paruošimas (Prepare): Replikos transliuoja savo balsus už bloką.
• Patvirtinimas (Commit): Jei pakankamas skaičius replikų sutinka dėl bloko, jis yra patvirtinamas.

Kad sistema veiktų teisingai, PBFT reikalauja, kad didžioji dauguma mazgų būtų sąžiningi.

Pavyzdys: "Hyperledger Fabric", leidimais pagrįsta blokų grandinės sistema, naudoja PBFT savo sutarimo mechanizmui. Tai užtikrina, kad blokų grandinė išliktų saugi, net jei kai kurie mazgai yra pažeisti.

Tinkamo sutarimo algoritmo pasirinkimas

Tinkamo sutarimo algoritmo pasirinkimas priklauso nuo konkrečių paskirstytosios sistemos reikalavimų. Reikėtų atsižvelgti į šiuos veiksnius:

• Atsparumas gedimams: Kiek gedimų sistema gali toleruoti? Ar ji turi toleruoti Bizantijos gedimus?
• Našumas: Koks yra reikalingas pralaidumas ir delsa?
• Mastelis: Kiek mazgų sistema turės palaikyti?
• Sudėtingumas: Ar algoritmą sunku įdiegti ir prižiūrėti?
• Saugumas: Kokie yra galimi atakos vektoriai ir kaip gerai algoritmas nuo jų apsaugo?
• Energijos suvartojimas: Ar energijos vartojimo efektyvumas yra svarbus? (Ypač aktualu blokų grandinių programoms)

Šioje lentelėje apibendrinami pagrindiniai aukščiau minėtų algoritmų skirtumai:

Algoritmas	Atsparumas gedimams	Našumas	Sudėtingumas	Panaudojimo atvejai
Paxos	Toleruoja sutrikimo gedimus	Santykinai sudėtinga optimizuoti	Aukštas	Paskirstytosios duomenų bazės, užrakto paslaugos
Raft	Toleruoja sutrikimo gedimus	Lengviau įdiegti ir suprasti nei Paxos	Vidutinis	Paskirstytosios raktų ir reikšmių saugyklos, konfigūracijos valdymas
Proof-of-Work	Toleruoja Bizantijos gedimus	Mažas pralaidumas, didelė delsa, didelis energijos suvartojimas	Vidutinis	Kriptovaliutos (Bitcoin)
Proof-of-Stake	Toleruoja Bizantijos gedimus	Didesnis pralaidumas, mažesnė delsa, mažesnis energijos suvartojimas nei PoW	Vidutinis	Kriptovaliutos (Ethereum 2.0)
PBFT	Toleruoja Bizantijos gedimus	Didelis pralaidumas, maža delsa, bet ribotas mastelis	Aukštas	Leidimais pagrįstos blokų grandinės, būsenos mašinų replikacija

Realaus pasaulio pavyzdžiai ir pritaikymai

Sutarimo algoritmai naudojami įvairiose srityse ir pramonės šakose:

• Blokų grandinė: Kriptovaliutos, tokios kaip "Bitcoin" ir "Ethereum", naudoja sutarimo algoritmus (atitinkamai PoW ir PoS), kad apsaugotų savo tinklus ir patvirtintų operacijas.
• Debesų kompiuterija: Paskirstytosios duomenų bazės, tokios kaip "Google Spanner" ir "Amazon DynamoDB", naudoja sutarimo algoritmus, kad užtikrintų duomenų nuoseklumą tarp kelių serverių.
• Finansinės paslaugos: Bankai ir kitos finansų institucijos naudoja sutarimo algoritmus operacijoms apdoroti ir tiksliems sąskaitų likučiams palaikyti.
• Aviacijos pramonė: Šiuolaikiniai orlaiviai priklauso nuo paskirstytųjų sistemų skrydžio valdymo, navigacijos ir ryšių srityse. Sutarimo algoritmai yra gyvybiškai svarbūs užtikrinant šių sistemų saugumą ir patikimumą. Įsivaizduokite, kad keli skrydžio valdymo kompiuteriai turi susitarti dėl tinkamos kurso korekcijos reaguojant į turbulenciją.
• Sveikatos apsauga: Elektroniniai sveikatos įrašai (EHR) dažnai saugomi paskirstytosiose sistemose, siekiant užtikrinti jų prieinamumą ir pasiekiamumą. Sutarimo algoritmai gali padėti išlaikyti pacientų duomenų vientisumą ir nuoseklumą įvairiose vietose.
• Tiekimo grandinės valdymas: Norint sekti prekes ir medžiagas sudėtingoje tiekimo grandinėje, reikalinga paskirstyta sistema, galinti apdoroti didelį duomenų kiekį ir užtikrinti duomenų nuoseklumą. Sutarimo algoritmai gali padėti užtikrinti, kad visos šalys turėtų tikslų tiekimo grandinės vaizdą.

Iššūkiai ir ateities tendencijos

Nors pastaraisiais metais sutarimo algoritmai padarė didelę pažangą, vis dar yra keletas iššūkių, kuriuos reikia įveikti:

• Mastelis: Sutarimo algoritmų mastelio keitimas, kad būtų galima aptarnauti daug mazgų, tebėra iššūkis. Daugelio algoritmų našumas prastėja didėjant mazgų skaičiui.
• Sudėtingumas: Kai kuriuos sutarimo algoritmus sudėtinga įdiegti ir suprasti, todėl juos sunku diegti ir prižiūrėti.
• Energijos suvartojimas: "Proof-of-Work" algoritmai sunaudoja daug energijos, o tai kelia susirūpinimą dėl aplinkos.
• Bizantijos gedimų tolerancija: Kurti sutarimo algoritmus, galinčius toleruoti didelį Bizantijos gedimų procentą, yra nuolatinė tyrimų sritis.

Ateities sutarimo algoritmų tendencijos apima:

• Hibridinis sutarimas: Skirtingų sutarimo algoritmų derinimas, siekiant išnaudoti jų stipriąsias puses ir sušvelninti silpnąsias.
• Delegetuotas statymo įrodymas (DPoS): PoS variantas, leidžiantis žetonų turėtojams deleguoti savo balsavimo teises mažesniam atstovų rinkiniui.
• Federacinis Bizantijos sutarimas (FBA): Sutarimo algoritmas, leidžiantis skirtingoms organizacijoms dalyvauti paskirstytoje sistemoje, nereikalaujant centrinės valdžios. "Stellar" ir "Ripple" naudoja FBA variantus.
• Segmentavimas (Sharding): Blokų grandinės padalijimas į mažesnes, lengviau valdomas dalis, siekiant pagerinti mastelį.

Išvada

Sutarimo algoritmai yra pagrindinis patikimų ir gedimams atsparių paskirstytųjų sistemų statybinis blokas. Jie leidžia tinklo mazgams koordinuoti ir priimti sprendimus kolektyviai, užtikrinant duomenų nuoseklumą ir saugumą. Nors yra daug skirtingų sutarimo algoritmų tipų, kurių kiekvienas turi savo stipriąsias ir silpnąsias puses, algoritmo pasirinkimas priklauso nuo konkrečių programos reikalavimų.

Paskirstytosioms sistemoms toliau vystantis, sutarimo algoritmai vaidins vis svarbesnį vaidmenį užtikrinant šių sistemų patikimumą ir saugumą. Suprasti skirtingų sutarimo algoritmų principus ir kompromisus yra būtina kiekvienam, kas kuria ar dirba su paskirstytosiomis sistemomis.

Praktinės įžvalgos:

• Įvertinkite savo sistemos reikalavimus: Prieš pasirinkdami sutarimo algoritmą, atidžiai apsvarstykite savo paskirstytosios sistemos atsparumo gedimams, našumo, mastelio ir saugumo poreikius.
• Pradėkite nuo gerai žinomų algoritmų: Jei sutarimo algoritmai jums yra naujiena, pradėkite nuo gerai žinomų algoritmų, tokių kaip Raft ar Paxos. Šie algoritmai yra kruopščiai išbandyti ir turi platų prieinamų išteklių bei palaikymo spektrą.
• Apsvarstykite hibridinius metodus: Ištirkite galimybę derinti skirtingus sutarimo algoritmus, siekiant išnaudoti jų stipriąsias puses ir sušvelninti silpnąsias.
• Sekite naujausius tyrimus: Sutarimo algoritmų sritis nuolat vystosi, todėl sekite naujausius tyrimus ir pokyčius.