广域网环境下支持拜占庭故障模型的容错技术研究

admin · 发表于 2024-1-26 16:37:44

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雅宝题库解析：
随着互联网及网络计算技术的不断发展，网格计算、云计算通过聚合跨域资源的方式构建面向广域网环境的基础设施，从而满足应用多样化的资源需求，基于这些基础设施构建的应用已经逐渐成为日常生活和科学研究中不可或缺的组成部分。然而广域网环境的开放性、基础设施的不可靠性、支撑系统的复杂性以及应用的日趋丰富使得软件错误、软件兼容性、管理失误甚至恶意入侵等逐渐成为影响系统可用性的重要因素。拜占庭故障作为一种通用故障模型，能够有效刻画软件错误、恶意入侵等故障行为。但拜占庭容错技术自身的不足，影响了其在实际系统中的应用。首先，现有拜占庭容错技术侧重于屏蔽故障，对应用多样化的容错需求支持不足。其次，拜占庭故障可以通过含糊行为等手段欺骗正确节点，上层应用或者管理员甚至不容易觉察到拜占庭故障的存在，故障隐蔽性对故障检测提出了挑战。第三，拜占庭故障随着模块之间依赖关系在系统范围内传播导致故障根源与故障表征呈现非关联性，增大了定位故障根源的复杂性。第四，拜占庭容错协议存在兼容性不足的题目，无法从性能、复杂度等方面满足良性故障模型的要求。第五，拜占庭容错技术以学术界为主导，缺乏成熟的商业及开源产品，存在易用性不足的题目。针对上述题目，本文研究了广域网环境下支持拜占庭故障模型的容错技术，从限制、检测以及屏蔽拜占庭故障等角度出发开展研究工作，并开发了原型来支持实际系统构建。本文主要工作和贡献如下： 1) 针对拜占庭故障节点可能采用篡改节点状态、维护多个状态分支等手段破坏正确节点状态的题目，提出了支持完整性检测的日志Log-Keeper，通过完整性证据支持存在性检测及一致性检测等完整性检测语义，限制拜占庭故障进一步破坏系统状态。Log-Keeper支持append-only日志语义，基于可靠传输介质在节点间分发状态断言，满足篡改可察、自声明、不可抵赖特征；为了支持频繁检测，我们设计了基于树结构的IndexTree，在完整性证据中携带树的中间节点来降低证据规模。与AASL的对比测试表明，两者均支持O(logn)规模证据，但AASL的证据规模是IndexTree的2～4倍。 2) 针对拜占庭故障检测中故障行为隐蔽、缺乏有效检测手段以及检测结果正确性难以保证等题目，提出了基于Quorum的拜占庭故障检测方法B-Detector，采用代理传输机制确保检测器能够可靠的获取被检测节点状态；采用一致性检查和审计判断被检测节点是否存在含糊行为、软件错误；通过构建Quorum检测器避免检测器自身是拜占庭故障节点对检测结果正确性的影响。实验表明，B-Detector对被检测系统侵入较小，满足实际系统的性能需求，同时结合航空分布式优化设计系统（AGrid）验证了B-Detector在实际系统中的可用性。 3) 针对拜占庭故障随着模块依赖关系传播导致故障根源与表征之间呈现非关联性的题目，提出了有状态故障检测机制Cesar-FD，采用满足时序关系的事件序列描述故障传播，及时准确的定位故障根源。Cesar-FD采用滑动窗口界定处理范围；采用序列、否、克林闭包、合取、析取事件算子描述事件序列；采用匹配树PM-Tree支持运行时的事件序列提取；分析了单个PM-Tree节点处理开销，并以此为基础设计了约束条放置及节点结合方式等优化策略，支持高吞吐率场景下实时检测的需求。评测表明，Cesar-FD吞吐率是类似开源工具Esper的3～6倍；我们在药物设计网格及中国国家网格监控管理系统场景下验证了Cesar-FD在实际系统中的可用性。 4) 针对拜占庭容错协议在性能鲁棒性、良性故障模型兼容性及易用性方面的不足，提出了支持多种故障模型的副本状态机协议Nova-BFT，采用协商执行原则降低执行开销，简化应用集成；采用MAC/签名混合验证、自适应视图变换提高协议性能鲁棒性；根据配置参数自适应的选择广播原语、安全机制等，从性能角度兼容良性故障模型。实验表明，Nova-BFT在拜占庭故障模型下峰值吞吐率为4.8Kops/sec，在良性故障模型下峰值吞吐率为8.1Kops/sec；我们基于Nova-BFT替换Apache ZooKeeper默认协商机制的工作修改/添加了723行代码，大多数场景下性能保持在初始系统的70%～80%，验证了Nova-BFT在实际系统中的可用性。

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