基于區(qū)塊鏈技術(shù)的可信分布式計(jì)算研究

許亮

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都610065）

0 引言

當(dāng)前，一個(gè)萬物互聯(lián)的世界正在快速成型，各種數(shù)字化終端設(shè)備的普及應(yīng)用，帶來的是各類數(shù)據(jù)呈指數(shù)級(jí)的爆發(fā)式增長，在這個(gè)數(shù)據(jù)洪流澎湃洶涌的時(shí)代，數(shù)據(jù)科學(xué)家研究實(shí)現(xiàn)了一系列大數(shù)據(jù)計(jì)算的解決方案，包括各類分布式計(jì)算框架、并行計(jì)算、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、霧計(jì)算等。目前，現(xiàn)有的技術(shù)方法均采用集中式、中心化的方式來處理大量數(shù)據(jù)的計(jì)算任務(wù)，這些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、拓展性有限、容錯(cuò)率低，且計(jì)算環(huán)境可信度差，數(shù)據(jù)無法共享，難以滿足萬物互聯(lián)時(shí)代對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算的多樣性需求。

以Map-Reduce 編程模型為基礎(chǔ)的分布式計(jì)算系統(tǒng)采用中心化計(jì)算機(jī)組來進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的分解、計(jì)算、匯總，通過網(wǎng)絡(luò)通信來進(jìn)行消息傳遞和工作協(xié)調(diào)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，容錯(cuò)率高，但是搭建部署分布式計(jì)算集群的價(jià)格也非常昂貴，且集群不能自動(dòng)解決惡意節(jié)點(diǎn)作惡的問題，只能依靠中心化的方式進(jìn)行管理。而區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)技術(shù)，具有去中心化、數(shù)據(jù)防篡改、可溯源等特性，是一種有效解決廣域網(wǎng)范圍內(nèi)分布式計(jì)算環(huán)境信任問題的方案。

1 本文研究內(nèi)容

本文將區(qū)塊鏈與分布式計(jì)算相關(guān)特性進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，基于分布式計(jì)算場(chǎng)景，對(duì)現(xiàn)有聯(lián)盟區(qū)塊鏈進(jìn)行了改進(jìn)和重新設(shè)計(jì)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有效解決分布式計(jì)算體系存在的信任問題，并研究提出了一種區(qū)塊鏈分布式計(jì)算模型范式。本文參考Map-Reduce 編程模型，從聯(lián)盟區(qū)塊鏈角度出發(fā)，將區(qū)塊鏈的交易流程轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际接?jì)算框架，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)分解后進(jìn)行分布式并行計(jì)算，本文還利用區(qū)塊鏈智能合約的優(yōu)點(diǎn)，將分布式計(jì)算的映射和歸約等計(jì)算功能函數(shù)以及計(jì)算節(jié)點(diǎn)選擇策略等函數(shù)寫入智能合約，部署在區(qū)塊鏈上，使所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)均按照合約規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。該系統(tǒng)利用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)密碼加密認(rèn)證和共識(shí)機(jī)制的技術(shù)特性，能創(chuàng)造可信的分布式計(jì)算環(huán)境，有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全共享，既免去了搭建分布式計(jì)算集群的高昂代價(jià)，也去除了中心化管理的束縛，使分布式計(jì)算節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)加入和退出變得更為自由，能有效解決了節(jié)點(diǎn)間的信任問題。這種基于區(qū)塊鏈的分布式計(jì)算架構(gòu)使得任何有海量數(shù)據(jù)計(jì)算需求的用戶無需搭建分布式計(jì)算集群，而是以較低的費(fèi)用及門檻條件加入該區(qū)塊鏈系統(tǒng)，即可發(fā)布大規(guī)模數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)，使用該系統(tǒng)的分布式可信計(jì)算功能，而無需關(guān)注更多細(xì)節(jié)，也不用擔(dān)心計(jì)算環(huán)境的可信問題。該系統(tǒng)還設(shè)置了可信計(jì)算等級(jí)，以智能合約形式部署在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上，由用戶根據(jù)自身任務(wù)需要自由選擇系統(tǒng)計(jì)算環(huán)境的可信等級(jí)。

2 分布式計(jì)算區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型

參考現(xiàn)有聯(lián)盟區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)模型，根據(jù)分布式計(jì)算特點(diǎn)，立足于創(chuàng)造一個(gè)可信計(jì)算環(huán)境，采取計(jì)算與存儲(chǔ)分離的模式，將分布式計(jì)算區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)兩類。計(jì)算節(jié)點(diǎn)主要執(zhí)行分布式計(jì)算，即對(duì)子任務(wù)執(zhí)行mapping 計(jì)算和內(nèi)部結(jié)果排序統(tǒng)計(jì)等功能。若計(jì)算節(jié)點(diǎn)選舉為主節(jié)點(diǎn)，則具有子任務(wù)計(jì)算結(jié)果收集、產(chǎn)生新區(qū)塊等功能。計(jì)算節(jié)點(diǎn)不記賬，不保存和更新賬本，當(dāng)且僅當(dāng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)被選為主節(jié)點(diǎn)后，需要與賬本產(chǎn)生交互和查詢，則向存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)查詢或者下載賬本。存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)主要對(duì)新產(chǎn)生的區(qū)塊進(jìn)行驗(yàn)證，并將驗(yàn)證通過的區(qū)塊上鏈，更新賬本狀態(tài)。

計(jì)算節(jié)點(diǎn)分為四種狀態(tài)：空閑狀態(tài)、分發(fā)狀態(tài)、計(jì)算狀態(tài)、主節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，在同一任務(wù)周期內(nèi)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)只能進(jìn)入其中的一種狀態(tài)。當(dāng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)作為大數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)分發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)進(jìn)入分發(fā)狀態(tài)，在一次任務(wù)中，分發(fā)節(jié)點(diǎn)不參與任何子任務(wù)的計(jì)算，而是一直處于分發(fā)狀態(tài)等待計(jì)算結(jié)果，待收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)來的子任務(wù)計(jì)算結(jié)果后進(jìn)行最終結(jié)果統(tǒng)計(jì)匯總。當(dāng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)接收子任務(wù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，該節(jié)點(diǎn)進(jìn)入計(jì)算狀態(tài)，計(jì)算完成后，判斷任務(wù)池中是否還有未完成的其他計(jì)算任務(wù)，若有，則繼續(xù)保持計(jì)算狀態(tài)，若無，則轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)。當(dāng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)選舉為主節(jié)點(diǎn)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入主節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，進(jìn)入主節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)不承擔(dān)子任務(wù)的計(jì)算工作，也不能進(jìn)行作業(yè)分發(fā)。主節(jié)點(diǎn)功能包括：收集各計(jì)算節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，并對(duì)同一子任務(wù)不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比對(duì)，當(dāng)一個(gè)子任務(wù)相同的計(jì)算結(jié)果數(shù)超過執(zhí)行該子任務(wù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)50%時(shí)，則該結(jié)果被認(rèn)為可信計(jì)算結(jié)果，主節(jié)點(diǎn)將該計(jì)算結(jié)果發(fā)送給任務(wù)分發(fā)節(jié)點(diǎn)，并將所有計(jì)算結(jié)果打包進(jìn)新區(qū)塊。若該子任務(wù)沒有產(chǎn)生可信結(jié)果，主節(jié)點(diǎn)將該消息反饋給任務(wù)分發(fā)節(jié)點(diǎn)，由任務(wù)分發(fā)節(jié)點(diǎn)按照計(jì)算節(jié)點(diǎn)選擇策略為該子任務(wù)重新選擇分配計(jì)算節(jié)點(diǎn)，重新執(zhí)行計(jì)算流程。主節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生新的區(qū)塊后，將新區(qū)塊發(fā)送給所有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)對(duì)區(qū)塊進(jìn)行驗(yàn)證后上鏈，更新賬本。計(jì)算節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖1 所示。

圖1 計(jì)算節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

若在任務(wù)執(zhí)行過程中，分發(fā)節(jié)點(diǎn)宕機(jī)或者發(fā)生故障，在任務(wù)生命周期內(nèi)無法接收主節(jié)點(diǎn)發(fā)來的子任務(wù)計(jì)算結(jié)果，則主節(jié)點(diǎn)依然按程序?qū)⒈敬稳蝿?wù)所有子任務(wù)計(jì)算結(jié)果打包進(jìn)新區(qū)塊，并發(fā)送給存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證上鏈，待分發(fā)節(jié)點(diǎn)恢復(fù)后，自行讀取鏈上的計(jì)算結(jié)果，調(diào)用結(jié)果統(tǒng)計(jì)模塊匯總統(tǒng)計(jì)最終結(jié)果。如此，確保了在分發(fā)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)意外的情況下，仍然能保證計(jì)算結(jié)果的有效性，確保了該分布式系統(tǒng)的魯棒性。

3 分布式計(jì)算區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案

分布式計(jì)算系統(tǒng)一般通過任務(wù)的分解與聚合的方式進(jìn)行分布式并行計(jì)算，從而對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，本文所述基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式計(jì)算方案也采用任務(wù)分解與聚合的方式進(jìn)行，任務(wù)分解與聚合等功能均以函數(shù)編程形式寫入?yún)^(qū)塊鏈智能合約中，事先部署運(yùn)行在區(qū)塊鏈上。智能合約中既包含分布式計(jì)算函數(shù)和結(jié)果匯總函數(shù)，也包括計(jì)算節(jié)點(diǎn)選擇策略。任務(wù)分發(fā)節(jié)點(diǎn)通過智能合約完成任務(wù)分解后，根據(jù)智能合約中的節(jié)點(diǎn)選擇策略，由用戶自由選擇計(jì)算可信度等級(jí)，確定子任務(wù)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)量，調(diào)用智能合約為每個(gè)子任務(wù)選擇分配規(guī)定數(shù)量的計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)空閑的狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)中只存在兩種角色節(jié)點(diǎn)—計(jì)算節(jié)點(diǎn)與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，所有的計(jì)算節(jié)點(diǎn)都是完全平等的，除被選舉為主節(jié)點(diǎn)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)處于主節(jié)點(diǎn)狀態(tài)外，此時(shí)所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)均處于空閑狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)功能不同在邏輯上被分為兩層，外層由計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)執(zhí)行分布式計(jì)算；內(nèi)層由存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)組成存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的驗(yàn)證存儲(chǔ)和維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)底層仍然是一個(gè)P2P 網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)必須通過主節(jié)點(diǎn)與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)通信。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

3.2 工作結(jié)構(gòu)

對(duì)于一次計(jì)算任務(wù)，首先，任務(wù)分發(fā)節(jié)點(diǎn)在本地調(diào)用部署在區(qū)塊鏈系統(tǒng)上的智能合約，自動(dòng)將一個(gè)待處理作業(yè)劃分為多個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊對(duì)應(yīng)于一個(gè)計(jì)算子任務(wù)，然后調(diào)用智能合約中的節(jié)點(diǎn)選擇策略算法，為每個(gè)子任務(wù)選定計(jì)算節(jié)點(diǎn)并發(fā)送子任務(wù)數(shù)據(jù)，計(jì)算完成后，計(jì)算節(jié)點(diǎn)將計(jì)算結(jié)果發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)，由主節(jié)點(diǎn)根據(jù)區(qū)塊鏈系統(tǒng)設(shè)定的規(guī)則對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并把驗(yàn)證通過的計(jì)算結(jié)果發(fā)送給任務(wù)分發(fā)節(jié)點(diǎn)，最后將所有子任務(wù)計(jì)算結(jié)果打包進(jìn)新區(qū)塊，發(fā)送至所有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)對(duì)新區(qū)塊進(jìn)行驗(yàn)證，通過后寫入賬本，并向主節(jié)點(diǎn)反饋消息。工作結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 工作結(jié)構(gòu)示意圖

計(jì)算節(jié)點(diǎn)不僅要做數(shù)據(jù)映射的工作，還要做部分歸約工作，相關(guān)功能函數(shù)都寫入智能合約進(jìn)行部署，最終結(jié)果的統(tǒng)計(jì)匯總工作交由任務(wù)分發(fā)節(jié)點(diǎn)來做，這樣，最終的計(jì)算結(jié)果將對(duì)整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)隱藏，僅有任務(wù)分發(fā)節(jié)點(diǎn)知道，有利于保護(hù)計(jì)算結(jié)果隱私性。區(qū)塊鏈中各區(qū)塊存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是各計(jì)算節(jié)點(diǎn)計(jì)算出的子任務(wù)數(shù)據(jù)，可用于計(jì)算過程的追溯。

3.3 工作流程

對(duì)于一次分布式計(jì)算任務(wù)，具體流程如圖4 所示。

圖4 工作流程圖

（1）計(jì)算任務(wù)開始，發(fā)布任務(wù)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)入分發(fā)狀態(tài)，將任務(wù)拆分為多個(gè)子任務(wù)；

（2）用戶根據(jù)計(jì)算需求，調(diào)用智能合約中的節(jié)點(diǎn)選擇策略為每個(gè)子任務(wù)選擇分配計(jì)算節(jié)點(diǎn)，并將子任務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送給選定的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，將子任務(wù)分配表發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)；

（3）接收子任務(wù)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入計(jì)算狀態(tài)，調(diào)用智能合約中的計(jì)算功能函數(shù)執(zhí)行計(jì)算；

（4）計(jì)算節(jié)點(diǎn)完成計(jì)算任務(wù)后，將計(jì)算結(jié)果附上自己的簽名一并打包發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)；

（5）主節(jié)點(diǎn)根據(jù)背書規(guī)則，對(duì)執(zhí)行同一子任務(wù)的所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)，若收到超過半數(shù)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果相同，則認(rèn)為該計(jì)算結(jié)果正確可信，放入?yún)^(qū)塊池，等待出塊；

（6）主節(jié)點(diǎn)將驗(yàn)證通過的子任務(wù)計(jì)算結(jié)果附上自己的簽名一并發(fā)送給任務(wù)分發(fā)節(jié)點(diǎn)；

（7）任務(wù)分發(fā)節(jié)點(diǎn)收到各子任務(wù)計(jì)算結(jié)果后，調(diào)用匯總功能函數(shù)統(tǒng)計(jì)最終結(jié)果；

（8）主節(jié)點(diǎn)按照出塊規(guī)則，在收集到規(guī)定數(shù)量或大小的子任務(wù)計(jì)算結(jié)果后，創(chuàng)建新區(qū)塊，并將新區(qū)塊發(fā)送給所有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；

（9）存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)收到新區(qū)塊后，進(jìn)入驗(yàn)證狀態(tài)，把驗(yàn)證通過的區(qū)塊上鏈，更新賬本狀態(tài)，并反饋給主節(jié)點(diǎn)；

（10）主節(jié)點(diǎn)收到各存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的反饋信息后，將反饋結(jié)果匯總統(tǒng)計(jì)，并向任務(wù)分發(fā)節(jié)點(diǎn)反饋計(jì)算任務(wù)完成情況。

4 計(jì)算可信度調(diào)整策略

在一次計(jì)算任務(wù)中，任務(wù)分發(fā)節(jié)點(diǎn)完成作業(yè)分解后，會(huì)調(diào)用智能合約中的節(jié)點(diǎn)選擇策略為每個(gè)子任務(wù)選擇分配相應(yīng)數(shù)量的計(jì)算節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)選擇策略事先以函數(shù)編程形式寫入智能合約中，部署運(yùn)行在區(qū)塊鏈系統(tǒng)上。為了滿足用戶的計(jì)算需求多樣化，節(jié)點(diǎn)選擇策略應(yīng)預(yù)置多種模式提供給用戶自由選擇，由用戶根據(jù)具體任務(wù)計(jì)算需求，選擇執(zhí)行同一子任務(wù)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)量，我們將這種可調(diào)整的節(jié)點(diǎn)選擇策略稱為計(jì)算可信度調(diào)整策略。

參考Hyperledger Fabric 的背書策略，該系統(tǒng)用戶可以選擇同時(shí)執(zhí)行同一個(gè)子任務(wù)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)量。對(duì)于同一個(gè)子任務(wù)，選擇的計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，其計(jì)算結(jié)果的可信度就越高，但系統(tǒng)的計(jì)算效率也就越低。因此，對(duì)于那些對(duì)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度和可信度要求較高的任務(wù)，適于選擇較多的計(jì)算節(jié)點(diǎn)同時(shí)執(zhí)行同一子任務(wù)，即調(diào)高計(jì)算可信度。相反，由于區(qū)塊鏈系統(tǒng)允許作惡或故障節(jié)點(diǎn)存在，所以同一個(gè)子任務(wù)選擇的計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)量越少，則其計(jì)算結(jié)果可信度就越低，但系統(tǒng)的計(jì)算效率會(huì)提高。因此，對(duì)于那些對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度要求不高，而對(duì)計(jì)算效率要求較高的任務(wù)，適于調(diào)低計(jì)算可信度。用戶可以根據(jù)具體的計(jì)算任務(wù)自由選擇調(diào)整此次計(jì)算任務(wù)的計(jì)算可信度，但為確保計(jì)算環(huán)境的基本可信度，規(guī)定一個(gè)子任務(wù)選擇的計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)量不能少于3 個(gè)。

5 結(jié)語

本文在區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮區(qū)塊鏈系統(tǒng)去中心化、可追溯、防篡改的特性，研究實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基礎(chǔ)的Map-Reduce 分布式計(jì)算架構(gòu)，提出了一個(gè)去中心化、自治和計(jì)算環(huán)境可信的分布式計(jì)算解決方案。既能有效保證計(jì)算結(jié)果的隱私性，也能實(shí)現(xiàn)計(jì)算過程可追溯，用戶還能根據(jù)任務(wù)需要自由調(diào)整計(jì)算可信度，并間接調(diào)整系統(tǒng)的計(jì)算效率。