分布式理论基础(四)Paxos
1 背景
分布式理论基础(一)一致性及解决一致性的两种方式:2PC和3PC 中介绍了一致性,Paxos协议在节点宕机恢复、消息无序或丢失、网络分化的场景下能保证决议的一致性,是被讨论最广泛的一致性协议。
2 Basic Paxos
作为解决一致性问题的协议,Paxos的核心是节点间如何确定并只确定一个值(value)。在Paxos协议里确定并只确定一个值是确定多值的基础,如何确定多值将在第二部分Multi Paxos中介绍,这部分我们聚焦在“Paxos如何确定并只确定一个值”这一问题上。
先举一个例子:
和2PC类似,Paxos先把节点分成两类,发起提议(proposal)的一方为proposer,参与决议的一方为acceptor。假如只有一个proposer发起提议,并且节点不宕机、消息不丢包,那么acceptor做到以下这点就可以确定一个值:
P1. 一个acceptor接受它收到的第一项提议
我们尝试放宽条件,假设多个proposer可以同时发起提议,又怎样才能做到确定并只确定一个值呢?
首先proposer和acceptor需要满足以下两个条件:
- proposer发起的每项提议分别用一个ID标识,提议的组成因此变为(ID, value)
- acceptor可以接受(accept)不止一项提议,当多数(quorum) acceptor接受一项提议时该提议被确定(chosen)
注: 注意以上“接受”和“确定”的区别
我们约定后面发起的提议的ID比前面提议的ID大,并假设可以有多项提议被确定,为做到确定并只确定一个值acceptor要做到以下这点:
P2. 如果一项值为v的提议被确定,那么后续只确定值为v的提议
由于一项提议被确定(chosen)前必须先被多数派acceptor接受(accepted),为实现P2,实质上acceptor需要做到:
P2a. 如果一项值为v的提议被确定,那么acceptor后续只接受值为v的提议
满足P2a则P2成立 (P2a => P2)。
目前在多个proposer可以同时发起提议的情况下,满足P1、P2a即能做到确定并只确定一个值。如果再加上节点宕机恢复、消息丢包的考量呢?
假设acceptor c 宕机一段时间后恢复,c 宕机期间其他acceptor已经确定了一项值为v的决议但c 因为宕机并不知晓;c 恢复后如果有proposer马上发起一项值不是v的提议,由于条件P1,c 会接受该提议,这与P2a矛盾。为了避免这样的情况出现,进一步地我们对proposer作约束:
P2b. 如果一项值为v的提议被确定,那么proposer后续只发起值为v的提议
满足P2b则P2a成立 (P2b => P2a => P2)。
P2b约束的是提议被确定(chosen)后proposer的行为,我们更关心提议被确定前proposer应该怎么做:
P2c. 对于提议(n,v),acceptor的多数派S中,如果存在acceptor最近一次(即ID值最大)接受的提议的值为v',那么要求v = v';否则v可为任意值
满足P2c则P2b成立 (P2c => P2b => P2a => P2)。
条件P2c是Basic Paxos的核心, 我们通过例子加深理解:
- ID为2的提议最早提出,根据P2c其提议值可为任意值,这里假设为a
- acceptor A/B/C/E 在之前的决议中没有接受(accept)任何提议,因而ID为5的提议的值也可以为任意值,这里假设为b
- acceptor B/D/E,其中D曾接受ID为2的提议,根据P2c,该轮ID为14的提议的值必须与ID为2的提议的值相同,为a
- acceptor A/C/D,其中D曾接受ID为2的提议、C曾接受ID为5的提议,相比之下ID 5较ID 2大,根据P2c,该轮ID为27的提议的值必须与ID为5的提议的值相同,为b;该轮决议被多数派acceptor接受,因此该轮决议得以确定
- acceptor B/C/D,3个acceptor之前都接受过提议,相比之下C、D曾接受的ID 27的ID号最大,该轮ID为29的提议的值必须与ID为27的提议的值相同,为b
以上提到的各项约束条件可以归纳为3点,如果proposer/acceptor满足下面3点,那么在少数节点宕机、网络分化隔离的情况下,在“确定并只确定一个值”这件事情上可以保证一致性(consistency):
- B1(ß): ß中每一轮决议都有唯一的ID标识
- B2(ß): 如果决议B被acceptor多数派接受,则确定决议B
- B3(ß): 对于ß中的任意提议B(n,v),acceptor的多数派中如果存在acceptor最近一次(即ID值最大)接受的提议的值为v',那么要求v = v';否则v可为任意值
注: 希腊字母ß表示多轮决议的集合,字母B表示一轮决议
另外为保证P2c,我们对acceptor作两个要求:
- 记录曾接受的ID最大的提议,因proposer需要问询该信息以决定提议值
- 在回应提议ID为n的proposer自己曾接受过ID最大的提议时,acceptor同时保证(promise)不再接受ID小于n的提议
至此,proposer/acceptor完成一轮决议可归纳为prepare和accept两个阶段。prepare阶段proposer发起提议问询提议值、acceptor回应问询并进行promise;accept阶段完成决议,图示如下:
还有一个问题需要考量,假如proposer A发起ID为n的提议,在提议未完成前proposer B又发起ID为n+1的提议,在n+1提议未完成前proposer C又发起ID为n+2的提议…… 如此acceptor不能完成决议、形成活锁(livelock),虽然这不影响一致性,但我们一般不想让这样的情况发生。解决的方法是从proposer中选出一个leader,提议统一由leader发起。
最后我们再引入一个新的角色:learner,learner依附于acceptor,用于习得已确定的决议。以上决议过程都只要求acceptor多数派参与,而我们希望尽量所有acceptor的状态一致。如果部分acceptor因宕机等原因未知晓已确定决议,宕机恢复后可经本机learner采用pull的方式从其他acceptor习得。
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