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基于在网计算加速的拜占庭容错算法.docx
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基于在网计算加速的拜占庭容错算法.docx
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摘 要 拜占庭容错算法是一类能够容忍各种形式的软件错误和安全漏洞
的容错算法,对云计算的可靠性保障有着重要意义与其他容错算法相
比,拜占庭容错算法稳定性更高,但是其性能表现低下,不能满足当
前系统对高吞吐、低延时的需求在网计算是一种以数据为中心的体系
结构,它用网络承担部分计算功能,使数据在流动过程中获得处理,
从而提高系统性能为解决拜占庭容错系统的问题,提出了一种基于在
网计算的拜占庭容忍共识算法优化方案,将算法的一部分处理任务卸
载到网卡上执行,利用网卡和处理器形成的多级流水线提升系统吞吐
量由于仅使用在网计算的方案在特定场景下效果不佳,因此,使用多
线程方法来提升优化方案的可扩展性同时,对算法进行了详细的系统
评测,实验结果表明:相对于普通的拜占庭容错系统,使用在网计算
与多线程结合的优化方案能够获得 的吞吐率提升以及 的延
迟下降,证明了基于在网计算的拜占庭容忍共识算法优化方案的可行
性与有效性
关键词 分布式系统;拜占庭容错算法;在网计算;加速器;高性能计
算
随着计算机网络和分布式应用的不断发展,网络中充斥着越来越
多的恶意攻击,应用的复杂度越来越高,稳定性受到严重威胁为了给
分布式应用提供可靠性保障,人们提出了拜占庭容错技术,该技术能
够容忍包括人为失误、软件故障和安全漏洞等各种形式的错误和攻击
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85597777/bg2.jpg)
,因此被广泛应用于区块链、数据库等对系统稳定性、安全性有着高
要求的分布式系统中
实用拜占庭容错算法 ,
是最具代表性的拜占庭容错技术之一该技术以多副本形式保证
对错误的容忍,使用 阶段的共识过程来保证各副本能够以相同顺序
执行相同的客户端请求,系统在受到部分节点的恶意干扰时也不会出
错 与 工作 量 证 明 !" , #
、权 益 证 明
$", %
等其他拜占庭容错算法相比,该算法具有高吞吐、低延
迟的优点;而与非拜占庭容错算法 ,
&相比,其稳定性较高,但是性能却较为低下因此,在实际使用
中,人们在选择使用不同的算法时往往需要在稳定性和高性能之间做
出取舍
表 给出了各种共识算法的优劣对比为了兼顾系统的稳定性和高
性能,人们提出了各项针对实用拜占庭容错算法的优化技术我们将其
分为 个方面:优化算法设计尽可能简化算法的一致性协议,使得
算法在没有恶意节点干扰的情况下提供高性能服务降低算法开销算
法执行过程中包含大量的密码学相关的计算,降低这些计算的开销有
助于提升整体性能提高算法并行度充分利用多核处理器的优势,使
用多线程技术提升执行效率
'()$*+($$$,-.)$
表
不同共识算法性能对比
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85597777/bg3.jpg)
现有研究工作主要着力于上述 种方案的某一方面,而缺少三者
的协同优化设计本文尝试从在网计算的角度提出一种新的实用拜占庭
容错算法的优化方案,同时兼顾降低算法开销和提升算法并行度该方
案主要使用在网计算的方式将 算法中共识过程中的部分计算任
务卸载到网卡上去完成一方面网卡强大的流式处理能力有助于降低延
迟开销;另一方面网卡和处理器组成的多级处理流水线能够提高算法
的吞吐量同时,我们使用多线程方法进一步提高算法并行度,扩展了
优化方案的适用场景实验表明基于在网计算的拜占庭容错算法最多能
够获得 的吞吐量提升以及 的延迟下降
1 背景介绍
1.1 实用拜占庭容错算法
实用拜占庭容错算法广泛应用于大规模分布式系统中,为系统安
全性和稳定性提供保障该算法能够容忍不超过节点总数 的恶意节
点;换言之,当系统节点总数为 n,恶意节点数为 f 时,只要满足
n/f0,系统就能够对外界表现出正常的工作状态在后续论述中我
们将沿用这些参数定义
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85597777/bg4.jpg)
使用该算法的系统中包含 类节点:主节点和备份节点其中主节
点负责为客户端请求选择序号,并向各备份节点广播请求各节点按序
执行客户端请求节点通过运行 种基本协议进行协同工作,包括一致
性协议-)、检查点协议."以及视图更换协议
1!.-其中一致性协议负责节点间的共识,检查点协议负责
生成节点的稳定状态,视图更换协议负责主节点的切换一致性协议是
算法的主体执行部分,占据了绝大部分的时间开销,因此我们将重点
介绍一致性协议,而对后两者略去不表
一致性协议运行在主节点为非恶意节点的情况下,该协议通过
,,()) 这 阶段完成备份节点之间的共
识,使得每个节点能够按相同顺序收到相同的请求,并执行相同的操
作,从而保证副本之间的一致性在一致性协议中,客户端与节点之间
通 过 23$ 和 2 操 作 完 成 交 互 : 客 户 端 向 主 节 点 提 交
23$,并收集节点返回的 2当客户端收到 f0 条相同的
2 后,便表示 23$ 已经在系统中成功提交并执行整个算法
流程分 个阶段执行:
客户端向主节点发送 23$;
主节点在收到了客户端的 23$ 后进入 阶段,
将 23$ 广播给主节点及其他备份节点;
备份节点收到 23$ 后,进入 阶段,将 23$
广播给主节点及其他备份节点;
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85597777/bg5.jpg)
主节点及备份节点收到广播消息后,首先进行消息验证以保证
消息的完整性与不可否认性,然后保存消息以作为节点当前状态的凭
证,最后将其与 阶段的 23$ 进行匹配,以判断本
节点与其他节点是否可以就请求序号和请求内容达成一致4当节点收到
f 条匹配的消息后,进入 ()) 阶段,将 23$ 广播给其他节
点;
所有节点重复 阶段的消息接收与验证,并在收到 f
条匹配的消息后按照序号所规定的顺序依次执行各请求,在请求执行
完成后向客户端返回 2
图 给出了一致性协议的详细执行过程,其中节点 是主节点,
其余节点是备份节点分析可知,在一致性协议的执行过程中,一条客
户端请求的成功执行至少需要进行 f
0f 次节点间的通信,且每次通
信过程都包含消息验证、消息保存等操作,因此降低这些操作的开销
对提升算法的性能有着重要意义
-($$$
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