兩將軍問題和TCP三次握手

兩將軍問題,又被稱爲兩將軍悖論、兩軍問題, 是一個經典的計算機思想實驗。

首先, 爲避免混淆,我們需要認識到兩將軍問題雖然與拜占庭將軍問題相關,但兩者不是一個東西。拜占庭將軍問題是一個更通用的兩將軍問題版本, 通常在分佈式系統故障容錯、區塊鏈中廣泛討論。

1.雙將軍問題

兩支軍隊,駐紮在兩個山頭,準備攻擊山谷裏的同一夥敵人,兩將軍只有同時發起進攻才能獲勝,兩將軍通信的的唯一方式是派遣信使通過山谷,山谷處於敵佔區。
如果信使被俘獲了,那麼攻擊信息將會丟失。

宏觀現象一: 兩將軍先後派遣信使,交替確認收到的攻擊信息,交替確認是無止盡的,兩將軍不能達成共識。

微觀現象二: 將軍A派遣信使,過了很長時間未收到回覆,將軍A不知道是自己的信使被俘獲了還是將軍B的確認信使被俘獲了。

我們意識到即使不斷確認收到對方的上一條信息, 也沒辦法確保對方與自己達成(同一時間攻擊的共識)

兩將軍問題是無解的,目前的tcp三次握手、四次揮手都是工程解(這個一會再聊)。

2.雙將軍問題的頭腦風暴

許多人試圖解決/緩解雙將軍問題,提出了一些能落地的實踐。

這裏我們依舊還是假設通道的不確定性,信使只會被俘獲,但是不會叛變篡改。

2.1 霰彈打鳥

如果A將軍每次派遣100名信使(編號1到100),期待B將軍最差也能收到一名信使的信息。

B將軍根據收到的信使數量,評估這條通道的可靠性,並根據概率也派遣合適數量的確認信使。

eg: A 將軍派遣100信使,B將軍收到10名信使的信息,B將軍基本可確認這條信道可靠度爲1/10,B將軍最少應派出10名信使(根據概率會有1名信使到達對岸)。

2.2 間歇性重試

霰彈打鳥的姿勢太費信使了,但是可以幫助將軍提高信心,達成共識。

還有一種少費信使(並能提高將軍信心)的策略,假設跨越山谷到達對岸並返回耗時20min, A將軍可間隔20min派遣信使到對岸,直到收到對岸B將軍的首次信使確認(就不再派遣)。

以上兩種策略分別是對速度和成本的權衡,採用哪一種取決於哪一種更適合我們遇到的問題。

3. 爲什麼說tcp三次握手是雙將軍問題的工程解?

知乎上有個問題:
TCP 爲什麼是三次握手,而不是兩次或四次?
分別從三個角度回答。

希望大家仔細讀一讀。

首先我們要知道:

三次握手是爲了在兩個方向上同步(syn)序列號(seq=m),同步一次序列號需要一去一回兩個包,倆方向就4個包。第2,3個包由一側發出可以合併到一起所以最後三個包。

但是根據雙將軍問題,誰說一來一回兩個包就能確保同步成功。

爲了緩解雙將軍問題,tcp3次握手增加了超時重試的機制。

第一個包: A發送給B的SYN中途丟失,沒有到達B

A會週期性超時重傳,直到收到B的確認。

第二個包,即是發送給A的SYN+ACK 中途丟失,沒有到達A

B會週期性超時重傳,直到收到A的確認。 (實際上第一次包:A因爲沒有收到ACK確認,也會重傳)

第三個包:即A發送給ACK 中途丟失,沒有到達B

A發完ACK,單方面認爲tcp Established狀態,而B顯然認爲tcp爲Active狀態。

a. 假定此時雙方都沒有數據發送,B會週期性超時重傳,直到收到A的確認,收到之後B的TCP 連接也爲 Established狀態,雙向可以發包。

b. 假定此時A有數據發送,B收到A的 Data + ACK,自然會切換爲established 狀態,並接受A的 Data。

c. 假定B有數據發送,數據發送不了,會一直週期性超時重傳SYN + ACK,直到收到A的確認纔可以發送數據。

小林coding 有一篇講解了握手異常 很是牛叉

總結

本文記錄了兩將軍問題:

對於不可靠信道,即使不斷確認收到對方的上一條信息, 也沒辦法確保對方與自己達成共識。

TCP 三次握手是在兩個方向確認包的序列號, 增加了超時重試, 是兩將軍問題的一個工程解。

(本文部分內容提煉自知乎,感謝這屆網友的智慧)

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