网络异常情况下的拜占庭容错算法研究

其 发 展 ， 由于拜 占庭 故障造 成 的 分布 式应 用 偏离 指 定的 行 为 ，可能 导致 财产 损失 甚至 人类 生命丧 失 。 当前 主流 拜 占庭 容错 算 法主 要针 对算 法 正常 执行 的 问 题 ，提 出 了考 虑 出错情 况 下 的拜 占庭 容错 算 法 。该算 法 主 要 考 虑 实 际过程 中服 务请 求端 和 服务 提供 端 的主 复制 品可 能发 生错 误 而 没有 响应 ，或者 因 网络拥 塞而 使 响应没 有 及 时送达 的情况 。
信 息 家 安 全 ’ ０ Ｌ
网络异常情况下 的拜 占庭容错算法研 究
余 丽静 ／贵州 师 范学 院数 学与计算 机 科 学学 院
本 ’ Ｔ 期翱 ● ’ ． ， ’ 黪 莺 蘩
卜 ：
．
错 算 法 ，一 直 是分 布 式应 用程 序 框 架 的组 成
部分 。在 分 布 式系 统 中 ，研 究 者们对 高可 用 ｌ ＿ － ＿ ｜ 系 统 的研 究 。 一般 集 中在 良性错 误 ， 如服 务 器宕 机 、拒 绝 服 务攻 击 、在 网络 上窃 听 消息 或修 改 与破 坏
消 息后 ，ｔ ｋ 向 Ｔ的 主 复 制 品 ｔ 。 发 送 消 息ｍ ＝ ＜ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｔ — Ｒ Ｅ ＱＵ Ｅ Ｓ Ｔ， Ｏ ， ｘ ， ｔ ｔ ｋ ， ｔ ｋ ＞ ，并启 动计 时器 。 Ｓ ｔ ｅ ｐ ４ ：ｔ 向Ｔ 的主 复制 品ｔ ０ 发送 消息ｍ 后 ，在 时器 时 间 收到 了ｔ 。 发 送的消 息 ，则说 明ｔ 。 未发 生错 误 ，Ｔ 的复 制 品 开始 Ｐ Ｒ Ｅ — Ｐ Ｒ Ｅ Ｐ ＡＲＥ、Ｐ Ｒ Ｅ Ｐ ＡＲ Ｅ和ＣＯ ＭＭＩ ＴＳ ： 个 阶段 的通 信过 程 ；如果 ｔ 在 计 时器 时 间 内未 收到 ｔ 。 发送 的消 息 ，ｔ 开 始怀 疑 ｔ 发 生 了错 误 ， 向其 他 复 制 品 发送 更 改 视 图的 消 息
１ 算 法描述
１ ． １基本概念 。拜 占庭容错 中，为 了容忍ｆ 个错误 的复制 品，复制 品集 合的大小ｎ ３ ｆ ＋ ｌ 。一 旦错 误复制 品的数 量超 过
了错误容忍的门限值ｆ ，该服务就不能再正常工作。一 些符号 说 明如 下： 是服 务请 求端 中发生拜 占庭错 误上 限值 ；每个 ｒ ｅ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ 用ｃ ｉ 表示 ，主副制 品用ｃ ｏ 表示 ；服务 响应端Ｔ ｌ ￣ ｔ ｔ ． ＝ ３ ｆ ｔ ＋ １ 个
ｒ ｅ ｐ ｉ ｆ ｃ ａ ｓ 组成 ，ｆ Ｉ 是服 务响应端中发生拜 占庭错 ￣ ． ｘ ｅ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｓ 个数 的 上 限值 ，每 个ｔ ｅ Ｉ ｍ ｃ ａ 用Ｌ 表示，主副制品用ｔ Ｄ 表示 。 １ ． ２ 出错情 况 下 的拜 占庭 容错 算法 。当 前主流 的拜 占 庭 容 忍算 法 针对 的是服 务请 求 端和 服务 提 供端 的主 复 制 品 都 未 发生 错 误且 网络 畅 通 的情 况 ，这 是一 种理 想状 况 。在 实 际 过 程 中 服 务 请 求 端 和 服 务 提 供 端 的主 复制 品 可 能 发 生 错 误而 没有 响 应 ，或 者 因 网络拥 塞而 使 响应 没有 及 时送 达 。本 节 就 服 务 请 求 端 未 能 及 时 收 到 消 息 ， 引起 计 时器 超 ，服 务提 供端 发 生错误 的情 形 ，对算 法进 行讨 论 。 引起 服 务请 求 端 的复制 品计 时器超 时的 原 因可 能有 ： （ １ ）服 务 响应端 的主复 制 品ｔ 发 生错误 ，未 能将服 务请 求 端 发 生来 的 请求 转 发给 其他 服 务 响 应端 的复 制 品 。 （ ２ ） 服 务 响应 端 的 主 复制 品ｔ 被 黑 客控 制 ，故 意不 将 服 务 响应 端 的复 制 品经 过 算法 认可 后 的结 果 发送 给服 务 请求 端 的 复 制品。 （ ３ ）服 务 请 求 端 的复 制 品计 时 器 时 间设 置 过 短 ，
数据等 ，这些错误 可能使服务器中断，破坏数据的完整性 和 保 密 性 。但 缺 乏 对 更 为严 重 的 恶 意攻 击 的研 究 ，譬 如
软件 错 误 、错 误操 作 、密 钥 丢失 、服 务 器被 黑客 控 制等 。 这 种 由恶 意 攻击 引起 的错误 ，被称 为 拜 占庭 错 误。如 果 任
时，Ｃ 中的每一个复制品向Ｔ 中的主服务复制品ｔ Ｄ 发送消息ｍ
＝ ＜ Ｒ Ｅ ＱＵ Ｅ Ｓ Ｔ ， Ｏ ， ｘ ， ｔ ｃ Ｃ ｉ ｖ ｐ ＞ｕ ｄ ｌ ｐ 。其 中。 是要Ｃ 请 求 的操 作 ，ｘ 是
该操作的序号， 是该请求Ｏ 的时间戳。发送 清求后，服务
请求者Ｃ ｉ 启动 计时器 ，等待来 自Ｔ 的应答 ，如 图ｌ 所示 。
不适 用于 当前 的网络状 况 。
图ｌ计 时器 超 时的处 理过程 Ｓ ｔ ｅ ｐ ２ ：Ｃ中 的 复制 品Ｃ ． 发送 请 求 后 ，等 待 应答 的 过程 中 ，计时器超 时，ｃ ｊ 将请 求ｎ ｌ ｃ Ｄｉ ｌ ｒ ｅ ｃ ｔ — Ｒ Ｅ Ｑ ＵＥ Ｓ Ｔ ， Ｏ ， ｘ ， ， Ｃ ＞０。 Ｔ 发送给Ｔ 中的每 一个复制 品。 Ｓ ｔ ｅ ｐ ３ ：Ｔ中的 复制 品ｔ ｋ 收 到 ＋１ 条 匹配 的Ｄｉ ｒ ｅ ｃ ｔ Ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｓ ｔ
计 时器 的 时 间进行 建模 ，对计 时 器 的时 间进 行动 态调 整 ， 这 不 在本 文 讨 论 的 范 围 内 ，本 文主 要 考 虑情 况 （ １ ）和 情 况 （ ２ ）。解决 这一 问题 的算法 描述 如下 ： Ｓ ｔ ｅ ｐ ｌ ：当服务请 求端Ｃ 需要 调用外部 服务 响应端Ｔ 服 务