本講座選自清華-青島數據科學研究院大數據基礎設施研究中心特約研究員、加拿大Viscore公司創始人兼總裁劉運渠先生於近期在清華大數據“技術·前沿”系列講座上所做的題為《一致性、原子廣播與區塊鏈》的演講。
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劉運渠：要理解區塊鏈，我們必須理解分佈式系統，以及分佈式系統如何保證一致性。這裡的一致性指的是英語裡的consistency。一致性和時間有直接邏輯和數學關係。愛因斯坦狹義相對論說沒有時間，只有同步的事件。在計算機領域中，Leslie Lamport在他的著名論文裡面說過，他不知道物理世界裡面有沒有時間，但是可以明確的說計算機系統裡沒有時間。FLP和CAP都表明在非同步的網絡上要實現一致性技術是不可能的。 工程上在一定概率內，例如99.9%，可以實現可靠性一致性等等。
一致性在我們日常活動中例子，可以用我們幾個人去哪吃飯的決策過程來舉例。有幾個方案來決定。一個是一人決定。第二種是一個人說的不算，需幾個人投票。第一種方案是很典型的中心化權力方案，第二種方案我們用高大上投票方案，很多一致性基於多數投票（Quorum）的。比如說在比特幣裡是最長鏈說了算，DAG裡面說權重最重的那部分說了算，其實都是投票制的方案。
用計算機的術語來描述一致性。同樣10臺電腦，上面都有一個變量叫A，當所有變量A被賦值為1的時候，我們說是一致的。如果有9個機器賦值為1，另外一個機器賦值為0，這就是不一致。我們知道賦值不會自動發生，一般是有一個狀態機給它賦值。如果多個節點的狀態機裡面，狀態都是相同的，這就是一致的。在一個集群裡面，所有狀態機，輸入狀態機的數據是相同的，而且是同順序的。這時候狀態機就會停止在同一個狀態，我們說狀態機取得了一致。
在區塊鏈場景裡面一致性到底是什麼意思？無非是兩個問題：
- 每一個地址和賬號裡面，UTXO的數據是一致的。
- 誰把錢轉給誰，保證這件事情一致，這是電子貨幣的系統的基礎。
假設我們的資產不是電子貨幣，而是任何其他的電子數字資產，也就是說你要對數字資產的狀態和交易數據一致。
用阿里巴巴的講法，分佈式系統有兩個最基本問題（一致性與唯一性）,和兩個最基本的技術，data replication，與一致性哈希。我今天只講是Data Replication，狀態機在它開始工作之前，我也可以當成一個數據處理。一致性問題可以轉化成Data Replication問題，是因為我們可以轉化成狀態機一致性問題，狀態機翻轉問題。外部一致性的問題也可以理解為Data Replication問題。
假設狀態機本身是運行良好，我們可以把一致性轉化為廣播問題。另外，很多時候前狀態和後狀態之間沒有因果性，沒有因果性的事件之間不需要順序上一致。只有因果性事件才需要順序上的一致。
在廣播問題中，FIFO廣播是指消息按照它送的順序收到，日常交談中這幾乎顯然的，那是因為我們有空氣廣播作為穩定的廣播通道。如果你在IP網絡發一個包，你先發的後收到，後發的先收到。
原子廣播意思就是除非所有人都收到，否則這個消息就撤回。只要其中有一個人沒有聽到，就把信息撤回。
拜占庭將軍，是不確定性的通信系統。這個問題怎麼解決？廣播出去讓所有人都知道，廣播解決方案可以叫做去中心化，也可以叫多中心化。
廣播有很多種實現。
- 第一種盡力實現的廣播服務，網絡提供廣播服務，但是不保證送達。就像IPMC。
- 第二種保證送達廣播，但不保證FIFO，也不保證原子性，例如簡單的基於TCP的overlay廣播。最後一種是原子廣播與可靠廣播。
第一層是用戶層實現，好處是很容易應用，缺點就是性能比較差。第二層在物理層實現，但是還沒有一種網絡設備提供可靠的廣播。
常見的交換模型如Infiniband模型，所用的方法三級multi-stage模型。大家會看到這個方法實現會有blocking。
我們的新架構，Optical Broadcast-Select Switch,裡面有N的3次方的節點，實現N的N次方的任意組合，所以可以支持可靠的任意光廣播(arbitrary multicast)。在加拿大做的產品原型prototype，在12個節點做到了68億不丟包。可以用這樣硬件做一個廣播負荷的卸載技術。這是可以在廣播上應用的高性能技術。
最後是區塊鏈與基礎網絡的問題。區塊鏈技術的一個重要價值是去中心化的交易，不需要第三方信任，可以支持一個完全開放的系統。區塊鏈的不可能三角是指去中心化，性能與安全性三個不可能都同時滿足。
區塊鏈基礎設施，基於現在互聯網絡設施的區塊鏈，如同當年的64K撥號上網internet，不僅僅是性能問題，而是基礎設施的設計原則發生了變化。它的性能裡面的交易特性，跟總量、帶寬、時延都有關係。
我們用一個網絡路由算法Pub/Sub architecture來提升廣播服務。這個網絡平面在基礎設施層面上提供一個廣播的服務，不是簡單把數據亂丟，而是知道哪個節點是我要的。
清華數據院對區塊鏈基礎設施的想法，我們提供了廣播的高速廣域，不是僅僅為了支持區塊鏈服務，而是支持整個數據服務。 我們希望做到更低的時延。
整理：張卓婧
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