分布式理论(五) - 一致性算法Paxos

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-05-21 20:40 191阅读 0赞

# 前言 #

世界上只有一种一致性算法，就是 `Paxos`。出自一位 `Google` 大神之口。`Paxos` 也是出名的 **晦涩难懂**，推理过程极其复杂。

`Paxos` 有点类似之前说的 `2PC`，`3PC`，但是解决了这两种算法各种硬伤。该算法在很多大厂都得到了工程实践，比如阿里的 `OceanBase` 的 **分布式数据库**，底层就是使用的 `Paxos` 算法。再比如 `Google` 的 `chubby` **分布式锁** 也是用的这个算法。可见该算法在分布式系统中的地位，甚至于，`Paxos` 就是 **分布式一致性** 的代名词。

# 正文 #

## 1. Paxos算法是什么 ##

`Paxos` 算法是 **基于消息传递** 且具有 **高效容错特性** 的一致性算法，目前公认的解决 **分布式一致性问题** 最有效的算法之一.

## 2. Paxos算法产生背景 ##

### 2.1. 拜占庭将军问题 ###

拜占庭是古代东罗马帝国的首都，由于地域宽广，守卫边境的多个将军（系统中的多个节点）需要通过信使来传递消息，达成某些一致的决定。但由于信使中可能存在叛徒（系统中节点出错），这些叛徒将努力向不同的将军发送不同的消息，试图会干扰一致性的达成。

### 2.2. Paxos算法由来 ###

故事背景是古希腊 `Paxos` 岛上的多个法官在一个大厅内对一个议案进行表决，如何达成统一的结果。他们之间通过服务人员来传递纸条，但法官可能离开或进入大厅，服务人员可能偷懒去睡觉。

### 2.3 产生背景 ###

在常见的 **分布式系统** 中，总会发生 **节点宕机** 或 **网络异常** (包括消息的 **重复**、**丢失**、**延迟**、**乱序**、**网络分区**) 等情况。

`Paxos` 算法主要就是解决如何在一个 **发生如上故障** 的分布式系统中，快速正确的在集群内 **对某个值达成一致**，并且保证 **整个系统的一致性**。

![paxos_background.png][]

## 3. 算法详解 ##

### 3.1 角色 & 提案 ###

#### 提案 (Proposal) ####

> 注意：提案的范围>value.后面会讲到，\[提案=编号+Value\].也可表示为\[M,V\].  
> 以下描述中暂定: 提案=P，Value=V.

#### 角色 ####

1.  **Proposer** : `Proposer` 可以 **提出提案** (`Proposal`)。
2.  **Accecptor** : `Acceptor` 可以 **接受提案**。一旦接受提案，**提案** 里面的 `value` 值就被选定了。
3.  **Learner** : `Acceptor` 告诉 `Learner` 哪个提案被选定了，那么 `Learner` 就学习这个被选择的 `value`。

![propose_acceptor_learner.png][]

> 在具体的实现中，一个进程即可能是Proposer,也可能是Acceptor，也可能是Learner。

### 3.2. 问题描述 ###

`Paxos` 算法的核心是 **一致性**。所以将从一致性问题的描述来讲解该算法怎么解决实际问题。

#### 3.2.1. 一致性算法的前置条件 ####

1.  在被提出的 `P` 中，只有一个 `V` 被选中。
2.  如果没有 `P` 被提出，就没有 `V` 被选中。
3.  在 `P` 被选定后，进程都可以学习被选中的 `P`。

#### 3.2.2. 不同角色通过发送消息进行通信 ####

1.  每个角色以任意的速度执行，可能因出错而停止，也可能会重启。一个 `value` 被选定后，所有的角色可能失败然后重启，除非那些失败后重启的角色能记录某些信息，否则等他们重启后无法确定被选定的值。
2.  消息在传递过程中可能出现 **任意时长的延迟**，可能会 **重复**，也可能 **丢失**，但是消息不会被 **损坏**。

### 3.3. 推导过程 ###

#### 3.3.1. 只有一个Acceptor ####

![Paxos_Prove_1.png][]

一个 `Acceptor` 接受一个 `P`，那么只有一个 `V` 被选定。

> 问题：如果这个 Acceptor 宕机，那么整个系统服务不可用。

### 3.3.2. 多个Acceptor ###

![Multi_Acceptor.png][]

> 问题：如何在多 Proposer 和多 Acceptor 情况下，选定一个 value？

讲解步骤分两阶段：**约定** `P1` 和 **约定** `P2`。

#### 3.3.2.1. 约定P1 ####

> **P1** ：一个 Acceptor 必须接受一个它收到的第一个 P。

如果每个 Proposer 会产生不同的 P，那么多个 Proposer 必定产生多个 P，发给多个 Acceptor。根据 **约定** `P1`，`Acceptor` 分别接受到 `P`，就会导致不同的 `V` 被选定，如下图所示：

![Paxos_Prove_2.png][]

如上图所示，`P1` 会产生的问题: `v1`、`v2`、`v3` 都没有被选定，因为他们只有被一个 `Acceptor` 接受。

对于上述问题，我们需要一个额外的约定:

> **P1a** : 一个提案 P 被选定，需要被半数以上 Acceptor 接受.

对于 `P1a`，其实就意味着 **一个Acceptor必须接受不止一个提案**。

显然，这与 `P1` 相矛盾，所以需要重新设计提案。原来的设计是: `[提案P = value]`，现在重新设计 `[提案P = 提案编号 + value]`，可表示为 `[M，V]`。

> 新问题：多提案被选定，如何保证被选定的提案 P 具有相同的value?

#### 3.3.2.2. 约定P2 ####

> **P2** : 如果提案 P\[M0,V0\] 被选定了，那么所有比 M0 编号更高的，且被选定的 P，其 value 的值也是 V0。

对于 `P2` 中的 “**被选定**”：一个提案要被选定，首先至少要被一个 `Acceptor` 批准。因此，可以理解 `P2` 为：

> **P2a** : 如果提案 P\[M0,V0\] 被选定了，那么所有比 M0 编号更高的，且 \[被Acceptor批准\] 的P，其 value 值也是 V0。

只要满足 `P2a`，就能满足 `P2`。**多提案被选择** 的问题解决了，但是由于 **网络不稳定** 或者 **宕机** 的原因（不可避免），会产生新问题：

![Paxos_Prove_4.png][]

假设有 `5` 个 `Acceptor`。`Proposer2` 提出 `[M1,V1]`的提案，`Acceptor2~5`（**半数以上**）均接受了该提案，于是对于 `Acceptor2~5` 和 `Proposer2` 来讲，它们都认为 `V1` 被选定。`Acceptor1` 刚刚从 **宕机状态** 恢复过来（之前 `Acceptor1` 没有收到过任何提案），此时 `Proposer1` 向 `Acceptor1` 发送了 `[M2,V2]` 的提案 **（V2≠V1且M2>M1）**。对于 `Acceptor1` 来讲，这是它收到的 **第一个提案**。根据 `P1`（一个 `Acceptor` 必须接受它收到的 **第一个提案**），`Acceptor1` 必须接受该提案。同时 `Acceptor1` 认为 `V2` 被选定。

这就出现了两个问题：

1.  `Acceptor1` 认为 `V2` 被选定，`Acceptor2~5` 和`Proposer2` 认为 `V1` 被选定。出现了**不一致**。
2.  `V1` 被选定了，但是 **编号更高** 的被 `Acceptor1` 接受的提案 `[M2,V2]` 的 `value` 为 `V2`，且 **V2≠V1**。这就跟 `P2a`（如果某个 `value` 为 `v`的提案被选定了，那么每个 **编号更高** 的被 `Acceptor` 接受的提案的 `value` 必须也是 `v`）**矛盾**了。

基于以上问题，所有就有了 `P2b`:

> **P2b** : 如果 P\[M0,V0\] 被选定后，任何 Proposer 产生的 P，其值也是 V0。

对于 `P2b` 中的描述，怎样保证 **任何Proposer产生的P，其值也是V0** ？只要满足 `P2c` 即可：

> **P2c**: 对于任意的 M、V，如果 \[M,V\] 被提出，那么存在一个半数以上的 Acceptor 组成的组合 S，满足以下两个条件中的任何一个：  
> ① S 中没有一个接受过编号小于 M 的提案。  
> ② S 中的 Acceptor 接受过的最大编号的提案的 value 为 V。

推导完毕。。。

### 3.4. 算法流程 ###

#### 3.4.1. Proposer提出提案 ####

总体思路如下：

##### (一). 学习阶段：Prepare请求 #####

`Proposer` 选择一个新的提案 `P[MN,?]` 向 `Acceptor` 集合 `S`（数目在**半数以上**）发送请求，要求 `S` 中的每一个 `Acceptor` 做出如下响应：

1.  如果 `Acceptor` 没有接受过提案，则向 `Proposer` 保证 **不再接受编号小于N的提案**。
2.  如果 `Acceptor` 接受过请求，则向 `Proposer` 返回 **已经接受过的编号小于N的编号最大的提案**。

##### (二). 接受阶段：Acceptor请求 #####

1.  如果 `Proposer` 收到 **半数以上** 的 `Acceptor` 响应，则 **生成编号为** `N`，`value` 为 `V` 的提案 `[MN,V]`，`V` 为所有响应中 **编号最大** 的提案的 `value`。
2.  如果 `Proposer` 收到的响应中 **没有提案**，那么 `value` 由 `Proposer` **自己生成**，生成后将此提案发给 `S`，并期望 `Acceptor` 能接受此提案。

#### 3.4.2. Acceptor接受提案 ####

`Acceptor` 可以忽略任何请求（包括 `Prepare` 请求和 `Accept` 请求）而不用担心破坏 **算法的安全性**。因此，我们这里要讨论的是什么时候 `Acceptor` 可以响应一个请求。

对 `Acceptor` 接受提案给出如下约束：

> **P1b**：一个 Acceptor 只要尚未响应过任何编号大于 N 的 Prepare 请求，那么就可以接受这个编号为 N 的提案。

如果 `Acceptor` 收到一个编号为 `N` 的 `Prepare` 请求，在此之前它已经 **响应过** 编号大于 `N` 的 `Prepare` 请求。根据 `P1b`，该 `Acceptor` 不可能接受编号为 `N` 的提案。因此，该 `Acceptor` 可以 **忽略** 编号为 `N` 的 `Prepare` 请求。当然，也可以回复一个 `error`，让 `Proposer` 尽早知道自己的提案 **不会被接受**。

因此，一个 `Acceptor` 只需记住：

1.  已接受的编号最大的提案；
2.  已响应的请求的最大编号。

![Paxos_Prove_5.png][]

## 4. Paxos算法描述 ##

![Paxos_Prove_6.png][]

## 5. Learner学习提案 ##

`Learner` 学习（获取）被选定的 `value` 有如下三种方案:

![Paxos_Prove_7.png][]

## 6. 如何保证Paxos算法的活性 ##

![Paxos_Prove_8.png][]

# 小结 #

`Paxos` 在 **节点宕机恢复**、**消息无序或丢失**、**网络分化** 的场景下能保证 **数据的一致性**。而 `Paxos` 的描述侧重于 **理论**，在实际项目应用中，处理了 `N` 多实际细节后，可能已经变成了另外一种算法，这时候正确性已经无法得到理论的保证。

要证明分布式一致性算法的正确性通常比实现算法还困难。所以很多系统实际中使用的都是以 `Paxos` **理论** 为基础而 **衍生** 出来的变种和简化版。例如 `Google` 的 `Chubby`、`MegaStore`、`Spanner` 等系统，`ZooKeeper` 的 `ZAB` 协议，还有更加容易理解的 `Raft` 协议。

大部分系统都是靠在实践中运行很长一段时间，经过验证发现系统已可以基本运行，没有发现大的问题才能上生产环境。

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