Konsensprotokoll

Ein Konsensprotokoll ist ein Verfahren in verteilten Systemen, das sicherstellt, dass mehrere Knoten sich auf eine gemeinsame Entscheidung oder einen konsistenten Zustand einigen, auch wenn einzelne Knoten ausfallen oder Nachrichten verzögert sind. Solche Protokolle bilden die Grundlage für die zuverlässige Replikation von Logs, die Koordination von Aktivitäten und die Bereitstellung stabiler Dienste in verteilten Umgebungen.

Zentrale Ziele sind Sicherheit (keine konkurrierenden, widersprüchlichen Entscheidungen) und Liveness (das System trifft bei ausreichender Stabilität eine Entscheidung). Das Erreichen eines gemeinsamen Konsenses erfolgt typischerweise durch Abstimmung über Quoren, sodass eine Mehrheit der Knoten beteiligt sein muss, um eine Entscheidung zu verifizieren.

Zu den bekanntesten Konsensprotokollen gehören Paxos, Raft und verwandte Ansätze. Paxos, entwickelt von Leslie Lamport, kennt Rollen wie Proposer, Acceptor und Learner und verwendet zwei Phasen (Prepare und Accept). Raft, entwickelt von Ongaro und Ousterhout, verfolgt einen Leader-basierten Ansatz, in dem ein Leader Log-Einträge repliziert, Begriffe (Terms) verwaltet und bei Ausfall einen neuen Leader wählt.

Anwendungsbeispiele finden sich in verteilten Datenspeichern wie etcd und Consul, welche Raft nutzen, sowie in ZooKeeper, das ein anderes Protokoll (Zab) verwendet. Konsensprotokolle ermöglichen stabile Replikationen, koordinierte Transaktionen und Fehlertoleranz in Umgebungen mit Netzwerkpartitionen.

Herausforderungen umfassen asynchrone Netzwerke, Teilungen und den von der FLP-Unmöglichkeit verursachten Rest, dass bei eindeutigen Fehlerszenarien die Liveness nicht garantiert sein kann. Byzantinische Fehler erfordern speziellere BFT-Protokolle.

Historisch führten Paxos und Raft die moderne Entwicklung an; Paxos legte das theoretische Fundament, Raft vereinfacht die Implementierung. Weitere Protokolle bauen darauf auf, um unterschiedlichste Anforderungen an Sicherheit, Leistung und Skalierbarkeit zu erfüllen.