分布式架构设计-06 分布式算法paxos

Posted 2021-04-11 基本粒子与性感生活

0 算法背景

Paxos算法是莱斯利·兰伯特（Leslie Lamport）于1990年提出的一种基于消息传递的一致性算法。自从该算法被提出后，它基本上是分布式共识的代名词，因为当前最常用的一批共识算法都是基于它改进的。比如，Fast Paxos 算法、Cheap Paxos 算法、Raft 算法、ZAB 协议等等。Google的很多大型分布式系统都采用了Paxos算法来解决分布式一致性问题，如Chubby、Megastore以及Spanner等。还有我们熟悉的动物管理员ZooKeeper，mysql 5.7推出的MySQL Group Replication等纷纷采用Paxos算法解决分布式一致性问题。本篇主要介绍basic paxos。

1 三种角色

在 Basic Paxos 中，有提议者（Proposer）、接受者（Acceptor）、学习者（Learner）三种角色，一个节点可以身兼多个角色。

• 提议者：提议一个值，用于投票表决。

• 接受者：对每个提议的值进行投票，并存储接受的值， 一般来说，集群中的所有节点都在扮演接受者的角色，参与共识协商，并接受和存储数据。

• 学习者：被告知投票的结果，接受达成共识的值，存储保存，不参与投票的过程。相当于是数据备份节点。

2 如何达成共识

提案包含提案编号和提议值，形如[pid,value]，其中value可以为空，提议者在提交提案时，可以不指定value。整个共识分为两个阶段完成，一个是准备（prepare）阶段，另一个是接受（accept）阶段，具体过程如何协商，我们通过例子来说明。

2.1 准备阶段，一个提议者向三个接受者提交了编号为1，value为空的提案[1,]；

2.2 对于接受者A，B，C来说，之前没有通过任何提案，所以A，B，C都返回尚无提案的响应，并承若之后不会再接受提案编号小于等于1的提案，也就是只接受最大编号的提案；

2.3 提议者得到了大多数接受者响应，于是进入接受阶段，提交提案[1,x=5]，接受者通过，共识达成；

3 多提案的情况

上述情况是一种理想情况，实际情况是同时会有多个提案，并且接受者有可能存在宕机的情况。

3.1 准备阶段，有两个提议者分别先后提交了提案[2,]和[5,]；

3.2 对于提议者1，因为A和B之前没有通过任何提案，所以A，B返回给他尚无提案的响应，C宕机，这时A和B保存的准备提案为[2,]；

3.3 对于提案2，A和B接收到了编号大于之前编号为2的提案，而且两个节点都没有通过任何提案，所以它们将返回一个 “尚无提案”的响应，并承诺以后不再响应提案编号小于等于 5 的准备请求，不会通过编号小于 5 的提案，这时C也恢复了，所以提议者2得到A，B，C都返回尚无提案的响应；

3.4 接受阶段，由于提议者1和2都收到了大多数接受者提案，所以开始发起接受提案,提议者1[2,x=6],提议者2[5,x=7];

3.5 当节点 A、B、C收到接受请求[2,x=6]的时候，由于提案的提案编号2小于三个节点承诺能通过的提案的最小提案编号 5，所以提案[2,x=6]将被拒绝；

3.6 当节点 A、B、C收到接受请求[5,x=7]的时候，由于提案的提案编号 5 不小于三个节点承诺能通过的提案的最小提案编号 5，所以就通过提案[5, x=7]，三个节点就X=7达成了共识;

3.7 当接受者通过了一个提案时，就通知给所有的学习者。当学习者发现大多数的接受者都通过了某个提案，那么它也通过该提案，接受该提案的值。

4 内容小结

4.1 paxos采用二阶段提交的方式来达成共识；

4.2 paxos实现了容错，在网络节点半数以上正常情况下能正常工作；

4.3 提案编号代表优先级，有序增大，接受者要有三个承诺：

• 如接受者已经响应过一个准备请求编号n，那么在收到一个新的准备请求后，如果该编号小于等于n，将不再响应该提案；

• 如果接受者已经响应过一个准备请求编号n，在接收到一个接受请求后，如果该请求编号小于n，则接受者将拒绝该提案；

• 如果接受者之前有通过提案，那么接受者将承诺，会在准备请求的响应中，包含已经通过最大编号的提案信息；