一致性協議在分布式安全系統中的應用

刁海洋

摘 要：隨著計算機的發展和大數據的應用進步，分布式系統被廣泛部署到生活和工作中的各個方面，在保證數據安全存儲的前提之下，系統穩定可靠的運行、對外提供的一致性服務也成了人們重點關注的屬性要求。而在種類繁多的軟件系統中，安全類軟件是對數據一致性要求較高的應用軟件系統。一致性協議的出現有效地解決了分布式環境下數據的一致問題，并保證了系統的穩定運行，提高了系統對外服務的效率。文章就一致性協議在分布式安全系統中的應用展開闡述。

關鍵詞：一致性協議;分布式;安全系統

0 引言

分布式安全系統不僅關系著個人的信息安全，對銀行、企業、政府的安全都有著非常重要的影響。如何保證分布式安全系統的穩定可靠運行、數據的安全存儲、對外提供服務的冪等性，在近幾年的研究中極為受關注。要處理好系統的可靠性問題，與分布式技術密不可分。而分布式環境下的數據如何保證一致性又是不得不解決的一大難點。因此，一致性協議的出現對于解決分布式安全系統中的關鍵問題有著非常重的意義。

1 分布式安全系統問題

分布式安全系統問題通常涉及多個方面，但其核心問題是分布式環境下的數據一致性問題和安全系統所要求的穩定性及對外服務一致性問題[1]。

1.1? 數據一致性問題

大數據時代的來臨，使得數據的存儲成為瓶頸。此時分布式技術應運而生，將數據分片分散存儲，利用多臺計算機并行存儲來分擔單個主機的磁盤I/O。在大集群下，可以使用成千上萬臺計算機來存儲關鍵數據，統一對外提供服務。在上層網關處，應用性能良好的負載均衡算法，將對數據的請求合理地分配給每一臺主機[2]。為了保證集群下的每臺計算機數據不丟失，需要結合副本的技術，將數據同時寫入多個副本來避免單點故障。多副本同步要求響應寫入請求還是異步響應寫入請求，抑或是不響應寫入請求，會在系統的層面產生不同的一致性問題[3]。

1.2? 穩定性問題

安全類系統對于系統的穩定運行有著非常高的要求，該類系統在實際運行過程中出現的任何宕機行為都有可能引起非常嚴重的后果。數據被盜取、異常流量輸入、數據流動異常等關鍵指標都有可能影響著企業、銀行、政府的正常運作。因此該類系統必然要求非單點部署，數據和服務的多重備份。

1.3? 對外服務一致性問題

安全類系統的數據和服務輸出對于上層決策、實時監控、異常處理的意義非常重大。關鍵指標的一致響應為這些服務提供了便利，同時也決定著這些服務的準確性和統一性。因此安全系統要求任何接入客戶端檢索的數據都是實時一致的，不存在同一時間同一類型服務請求返回不同的檢索數據。

2 一致性協議的起源

在分布式環境下，如何保障數據的一致性是急需解決的問題。為了解決此問題，業界提出了多種理論模型，其中廣為人知的是CAP理論，而在此理論基礎之上誕生了多種一致性協議，主要分為強一致性協議和弱一致性協議[4]。

2.1? CAP理論

在一個分布式系統中是不可能同時滿足一致性（C）、可用性（A）和分區容錯性（P）這三個要求，最多只能同時滿足其中兩個。一致性是指數據在多個副本之間能否保證一致的特性;可用性是指系統提供的服務需要一直處于可用的狀態;分區容錯性是指在遇到任何網絡分區故障情況下仍然能夠對外提供服務的特性。廣義上來說，一致性和可用性是無法都滿足的，為了保證一致性，分布式系統必然需要在全部節點上進行類似于加鎖的操作，而加鎖的操作意味著系統在這段時間范圍內是無法對外提供服務的，系統處于等待狀態。如果要保證可用性，即分布式系統時刻都處于對外提供正常服務的狀態，則意味著不能在全局意義上執行加鎖的操作，自然也就無法保證系統處于一致性的狀態，必然在某個時刻，系統的各個節點上的數據出現不一致。分區容錯性則是分布式環境下必須要滿足的特性，這種特性保證了分布式系統的正常運行，如果放棄分區容錯性那么整個分布式環境都將處于宕機的狀態。因此在分布式系統中，只能在一致性和可用性二者之間選擇一項，于是誕生了強可用性分布式系統和強一致性分布式系統。

2.2? 強一致性協議

強一致性協議也稱為原子一致性、線性一致性，要求系統任何一次讀取請求都能夠讀到最近一次寫入到系統的數據，并且系統的所有進程看到的操作順序都是全局一致的。在這種條件的限制之下，意味著在分布式系統的層面加上了全局鎖，任何讀取或者寫入的操作都是按順序加入到系統隊列中，先進隊列的先處理，后進隊列的后處理，通過這種方式來保障所有對系統操作的順序一致。

2.3? 弱一致性協議

數據更新后，如果能夠容忍后續的訪問只能訪問部分數據則是弱一致性。其約束了系統在寫入成功后，不承諾馬上可以讀到寫入的內容，也不承諾多久之后可以達到數據的一致，但是會盡快地使數據達到一致性狀態。在這種條件的限制之下，客戶端訪問的數據可能存在不一致性，即相同的檢索請求在數據寫入后執行會出現檢索結果不一樣的情況，而且系統無法告知客戶端在什么時間能夠將數據統一。

在弱一致性協議類型中，存在一種特殊的情況，即最終一致性協議。這種協議保證系統在一定時間內，能夠達到數據的一致性狀態。標準的弱一致性協議中，分布式系統是無法給出確切的能夠將數據統一的時間，數據可能在瞬間就保持統一，也有可能一直是不一致的狀態。那么在這種情況下誕生了最終一致性協議，也就是在系統中設置一個閾值，在該閾值范圍內，分布式系統一定會保證數據一致性。

3 分布式安全系統的應用策略

將一致性協議應用到分布式安全系統之中，可以處理分布式環境下的數據一致性問題、安全系統中的穩定性和對外提供服務的一致性問題，同時提高系統的抗壓能力和系統對外提供服務的能力和效率。

在對外提供服務的前提要求下，只有強一致性協議符合要求。因此在該類協議中選擇性能高、穩定性強的Raft協議作為分布式安全系統的一致性協議[5]。Raft協議將一致性問題分為兩個子問題：主節點選舉和狀態復制[6]。其中，主節點選舉是利用絕大多數子節點響應即系統完成響應的特性來實現的，保證了系統中絕大多數主機可用的情況下整個系統可用，從而提高了整個系統的穩定性和可靠性;狀態復制則是主節點在完成客戶端事務請求后將狀態同步到子節點，保證系統數據的一致性;系統對外提供服務時，僅主節點能夠接受請求，其他節點接受請求后都需要轉發給主節點。通過這些協議限制和要求，在保證一致性的前提下，提高了系統的穩定性和性能。

3.1 分布式節點異常恢復

當分布式系統中節點因為各種異常宕機后重啟，一致性協議需要能夠恢復該節點的服務，將該節點的事務日志狀態同步到與主節點一致。該協議使用日志狀態同步的機制來保證異常節點的正常恢復。系統在正常運作過程中，從節點和主節點通過心跳連接的機制同步主節點的本地事務日志，心跳連接是主從節點在線的保證機制，每隔一段時間會由主節點自動向從節點發送請求，該請求會帶上日志操作等關鍵信息[7]。而當節點從異常狀態中恢復之后，第一件事就是從主節點同步最新的事務，使得自身狀態及時跟上。

3.2? 系統順序全局一致

分布式系統各個事務狀態是獨立的，若要保證系統全局的順序一致，那么需要在系統級別加鎖，即控制整個系統的讀取和寫入的順序。一致性協議通過主節點來協調各個事務操作來保證全局一致，連接到分布式系統的各個客戶端發送的任何請求都需要轉發到主節點來執行實際的操作，由主節點控制事務的發起和事務的提交，并在完成之后將結果返回給客戶端。結果返回之后，再將主節點本地的事務日志同步到各個從節點。這點有區別于其他協議，有的協議中主節點只負責寫入請求，從節點只負責讀取請求，這種協議會造成讀取的數據不一致問題。

3.3? 網絡分區的處理

眾所周知，在不穩定的網絡環境下，分布式環境會出現分區的問題，比如機房和機房之間的通信。在網絡分區的情況下，一致性協議通過大多數節點響應的機制來處理分布式請求。在網絡分區之后，必然會出現一個包含大多數節點的子網絡，該子網絡能夠正常對外提供服務，同步事務日志等。而只有少數節點的子網絡則一直處于等待狀態，雖然該子網絡仍然能夠接收到到客戶端發送過來的請求，但這些請求是無法提交到本地事務日志中，并且也無法正常返回給客戶端，即該子網絡中的任何操作都是非接受的。當網絡分區從異常狀態恢復時，包含大多數節點的子網絡會由主節點將本地已提交的事務日志同步到包含少數節點的子網絡中，使得子網絡中的節點數據也保持全局統一[8]。一致性協議通過這種方式來解決網絡分區的問題，并確保分區恢復之后整個分布式系統的數據一致，能夠正常對外提供服務。

4 結語

隨著分布式技術的不斷推進和演化，分布式安全系統開始受到越來越多人的關注。對于如何保證分布式安全系統的穩定運行和分布式數據的一致性進行了大量的研究和分析。研究表明將Raft一致性協議應用到分布式安全系統中，能夠有效地提高系統的運行效率，保證數據的一致性，為用戶提供一個安全穩定的使用環境。大數據時代下，分布式技術已然成為應用趨勢，而在分布式技術之下，一致性協議發揮著重大的作用。

[參考文獻]

[1]閆蒞.網絡安全環境下計算機軟件的開發及利用分析[J].信息記錄材料，2020（4）：45-46.

[2]劉文君.大數據背景下的計算機網絡信息安全及防護措施探析[J].信息通信，2020（7）：160-162.

[3]張麗.基于大數據時代下的計算機網絡信息安全與防護對策分析[J].數字通信世界，2020（5）：34-35.

[4]王斌.智能電網信息安全面臨的挑戰與應對實踐[J].中國信息化，2019（12）：69-70.

[5]李理.淺談網絡安全分析中的大數據技術應用[J].通訊世界，2018（1）：147.

[6]陳陸，黃樹成，徐克輝.改進的Raft一致性算法及其研究[J].江蘇科技大學學報（自然科學版），2018（4）：559-563.

[7]龍慧，樊曉平，劉少強.多智能體系統分布式一致性算法研究現狀[J].計算機工程與應用，2013（1）：36-42.

[8]王志瑞，王幕天，劉正濤，等.分布式一致性算法的研究及應用[J]. 計算機時代，2015（12）：13-17..

（編輯 姚 鑫）