分布式共识算法 (二) Paxos算法

系列目录

一、背景

1.1 命名

Paxos，最早是Leslie Lamport 用Paxos岛的故事模型进行描述，而得以命名。这位大神原来是学数学的，最终变成了计算机科学家，在2013年获得图灵奖...附上美照：

1.2 Paxos问题

Paxos问题是指分布式的系统中存在故障（crash fault），但不存在恶意（corrupt）节点的场景（即可能消息丢失/重复，但无错误消息）下的共识达成问题。

1.3 Paxos协议

Paxos 协议是一个解决分布式系统中，多个节点之间就某个值（提案）达成一致（决议）的通信协议。

1990年Leslie Lamport在论文《The Part-time Parliament》中提出Paxos共识算法，在工程角度实现了一种最大保障分布式系统一致性的机制。Paxos算法被广泛应用在Chubby、ZooKeeper中。

Paxos wiki：Paxos (computer science)

二、Paxos算法

2.1 角色（核心就3个角色）

Client：客户端，发起请求并等待返回。
Proposer（提案者）：处理客户端请求，将客户端的请求发送到集群中，以便决定这个值是否可以被批准。
Acceptor（接受者）：负责处理接收到的提议，他们的回复就是一次投票。会存储一些状态来决定是否接收一个值。
Learner（学习者）：当有同一个value的协议被超过一半的Acceptor采纳并发送消息给Learner时，Learner采纳该协议值。
Leader：一个特殊的Proposer。

2.2 Basic-Paxos算法

核心实现Paxos Instance主要包括两个阶段:

准备阶段(prepare phase)和提议阶段(accept phase)。细化为4个小阶段，wiki上是这样描述的：

简单来说，Basic Paxos 是一个经典两阶段提交（2PC）

第一阶段：

1a prepare 准备: proposer向acceptors提出一个协议，这里的协议就是期望的“一致性内容”
1a promise 承诺: acceptor承诺只接收最大协议号的协议（包括prepare和accept），并拒绝比当前协议号N小的协议，回复proposer之前接收的所有协议值。如果当前协议号N比之前都小，那么回复拒绝。

第二阶段：

2a Accept Request 发起“accept”请求：proposer收到acceptor反馈的足够的承诺后，给协议设最大值，如果没回复，随便设置一个值。发送"accept"请求给选定值的acceptors.
2b Accepted: acceptor接受协议（该acceptor之前没有承诺过大于该协议号的协议），并通知给proposer和learner.
配上wiki流程图如下：

其中prepare阶段的作用，如下图所示：

1.S1首先发起accept(1,red)，并在S1,S2和S3达成多数派，red在S1，S2，S3上持久化
2.随后S5发起accept(5,blue)，在S3，S4和S5达成多数派，blue在S3，S4和S5持久化
4.最后的结果是，S1和S2的值是red，而S4和S5的值是blue，s3存在异议，red覆盖了blue？

解决方案：

1.将提议进行排序，可以为每个提议赋予一个唯一的ID，规定这个ID越大越新，很明显（5，blue）和（1，red），5比1大,所以保留blue
2.采用两阶段方法，拒绝旧提议。

2.3 Muti-Paxos算法

很多文章有误解说Muti-Paxos是一阶段提交，那是仅限于leader稳定时。刚选出来一个新的leader时，依然是二阶段提交如下图：

如果leader稳定，不需要prepare和promise步骤，如下图（图中Proposer就是一个Leader）：

Multi Paxos中leader用于避免活锁(例如1个leader,4个Proposer,2个提议A，2个提议B不能达成一致，导致活锁)，但leader的存在会带来其他问题，一是如何选举和保持唯一leader(虽然无leader或多leader不影响一致性，但影响决议进程progress)，二是充当leader的节点会承担更多压力，如何均衡节点的负载。Mencius[1]提出节点轮流担任leader，以达到均衡负载的目的；租约(lease)可以帮助实现唯一leader，但leader故障情况下可导致服务短期不可用。

2.4 Muti-Paxos在google chubby中的应用

Google Chubby是一个高可用分布式锁服务，被设计成一个需要访问中心化节点的分布式锁服务。本文只分析chubby服务端的实现。

Chubby服务端的基本架构大致分为三层

　　① 最底层是容错日志系统（Fault-Tolerant Log），通过Paxos算法能够保证集群所有机器上的日志完全一致，同时具备较好的容错性。

　　② 日志层之上是Key-Value类型的容错数据库（Fault-Tolerant DB），其通过下层的日志来保证一致性和容错性。

　　③ 存储层之上的就是Chubby对外提供的分布式锁服务和小文件存储服务。

Paxos算法用于保证集群内各个副本节点的日志能够保持一致，Chubby事务日志（Transaction Log）中的每一个Value对应Paxos算法中的一个Instance（对应Proposer），由于Chubby需要对外提供不断的服务，因此事务日志会无限增长，于是在整个Chubby运行过程中，会存在多个Paxos Instance，同时，Chubby会为每个Paxos Instance都按序分配一个全局唯一的Instance编号，并将其顺序写入到事务日志中去。

　　在Paxos中，每一个Paxos Instance都需要进行一轮或多轮的Prepare->Promise->Propose->Accept这样完整的二阶段请求过程来完成对一个提议值的选定，为了保证正确性的前提下尽可能地提高算法运行性能，可以让多个Instance共用一套序号分配机制，并将Prepare->Promise合并为一个阶段。具体做法如下：

　　① 当某个副本节点通过选举成为Master后，就会使用新分配的编号N来广播一个Prepare消息，该Prepare消息会被所有未达成一致的Instance和目前还未开始的Instance共用。

　　② 当Acceptor接收到Prepare消息后，必须对多个Instance同时做出回应，这通常可以通过将反馈信息封装在一个数据包中来实现，假设最多允许K个Instance同时进行提议值的选定，那么：

　　-当前之多存在K个未达成一致的Instance，将这些未决的Instance各自最后接受的提议值封装进一个数据包，并作为Promise消息返回。

　　-同时，判断N是否大于当前Acceptor的highestPromisedNum值（当前已经接受的最大的提议编号值），如果大于，那么就标记这些未决Instance和所有未来的Instance的highestPromisedNum的值为N，这样，这些未决Instance和所有未来Instance都不能再接受任何编号小于N的提议。

　　③ Master对所有未决Instance和所有未来Instance分别执行Propose->Accept阶段的处理，如果Master能够一直稳定运行的话，那么在接下来的算法运行过程中，就不再需要进行Prepare->Promise处理了。但是，一旦Master发现Acceptor返回了一个Reject消息，说明集群中存在另一个Master并且试图使用更大的提议编号发送了Prepare消息，此时，当前Master就需要重新分配新的提议编号并再次进行Prepare->Promise阶段的处理。

　　可见chubby就是一个典型的Muti-Paxos算法应用，在Master稳定运行的情况下，只需要使用同一个编号来依次执行每一个Instance的Promise->Accept阶段处理。

三、总结

Paxos算法的变种还有很多Cheap Paxos、Fast Paxos等等，本文介绍了使用最广的Muti-Paxos算法。希望能够带给大家一点分布式一致性算法的入门灵感和思想。

====================

参考：

1.paxos的wiki：Paxos (computer science)

2.csdn博客：一步一步理解Paxos算法

3.书：《从Paxos到Zookeeper》

4.论文：《Time-Clocks-and-the-Ordering-of-Events-in-a-Distributed-System》

5.书：《区块链原理、设计与应用》