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【分布式】Paxos协议详解

林老师带你学编程 2018-12-28
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Basic-Paxos算法(可以先看后面的实际例子再看前面的具体介绍部分)

Paxos算法的目的

Paxos算法的目的是为了解决分布式环境下一致性的问题。

    多个节点并发操纵数据,如何保证在读写过程中数据的一致性,并且解决方案要能适应分布式环境下的不可靠性(系统如何就一个值达到统一)

Paxos的两个组件

Proposer

提议发起者,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

提议批准者,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

Paxos有两个原则

1)安全原则---保证不能做错的事

a) 针对某个实例的表决只能有一个值被批准,不能出现一个被批准的值被另一个值覆盖的情况;(假设有一个值被多数Acceptor批准了,那么这个值就只能被学习)

b) 每个节点只能学习到已经被批准的值,不能学习没有被批准的值。

2)存活原则---只要有多数服务器存活并且彼此间可以通信,最终都要做到的下列事情:

a)最终会批准某个被提议的值;

b)一个值被批准了,其他服务器最终会学习到这个值。

Paxos具体流程图

 

 【分布式】Paxos协议详解

第一阶段(prepare)

1).获取一个proposal number, n;

2).提议者向所有节点广播prepare(n)请求;

3).接收者(Acceptors比较善变,如果还没最终认可一个值,它就会不断认同提案号最大的那个方案)比较n和minProposal,如果n>minProposal,表示有更新的提议minProposal=n;如果此时该接受者并没有认可一个最终值,那么认可这个提案,返回OK。如果此时已经有一个accptedValue, 将返回(acceptedProposal,acceptedValue);

4).提议者接收到过半数请求后,如果发现有acceptedValue返回,表示有认可的提议,保存最高acceptedProposal编号的acceptedValue到本地

 

第二阶段(Accept)

5)广播accept(n,value)到所有节点;

6).接收者比较n和minProposal,如果n>=minProposal,则acceptedProposal=minProposal=n,acceptedValue=value,本地持久化后,返回;

否则,拒绝并且返回minProposal

7).提议者接收到过半数请求后,如果发现有返回值>n,表示有更新的提议,跳转1(重新发起提议);否则value达成一致。

 

 

Paxos议案ID生成算法

       在Google的Chubby论文中给出了这样一种方法:假设有n个proposer,每个编号为ir(0<=ir<n),proposal编号的任何值s都应该大于它已知的最大值,并且满足:

     s %n = ir    =>     s = m*n + ir

    proposer已知的最大值来自两部分:proposer自己对编号自增后的值和接收到acceptor的拒绝后所得到的值。

例:  以3个proposer P1、P2、P3为例,开始m=0,编号分别为0,1,2。

1) P1提交的时候发现了P2已经提交,P2编号为1 >P1的0,因此P1重新计算编号:new P1 = 1*3+1 = 4;

2) P3以编号2提交,发现小于P1的4,因此P3重新编号:new P3 = 1*3+2 = 5。

 

Paxos原理

任意两个法定集合,必定存在一个公共的成员。该性质是Paxos有效的基本保障

 

活锁

     当某一proposer提交的proposal被拒绝时,可能是因为acceptor 承诺返回了更大编号的proposal,因此proposer提高编号继续提交。 如果2个proposer都发现自己的编号过低转而提出更高编号的proposal,会导致死循环,这种情况也称为活锁。

       比如说当此时的 proposer1提案是3, proposer2提案是4, 但acceptor承诺的编号是5,那么此时proposer1,proposer2 都将提高编号假设分别为6,7,并试图与accceptor连接,假设7被接受了,那么提案5和提案6就要重新编号提交,从而不断死循环。

 

异常情况——持久存储

     在算法执行的过程中会产生很多的异常情况:proposer宕机,acceptor在接收proposal后宕机,proposer接收消息后宕机,acceptor在accept后宕机,learn宕机,存储失败,等等。

     为保证paxos算法的正确性,proposer、aceptor、learn都实现持久存储,以做到server恢复后仍能正确参与paxos处理。

    propose存储已提交的最大proposal编号、决议编号(instance id)。

    acceptor存储已承诺(promise)的最大编号、已接受(accept)的最大编号和value、决议编号。

    learn存储已学习过的决议和编号

具体实例:

假设的3军问题

 

1) 1支红军在山谷里扎营,在周围的山坡上驻扎着3支蓝军;

2) 红军比任意1支蓝军都要强大;如果1支蓝军单独作战,红军胜;如果2支或以上蓝军同时进攻,蓝军胜;

3) 三支蓝军需要同步他们的进攻时间;但他们惟一的通信媒介是派通信兵步行进入山谷,在那里他们可能被俘虏,从而将信息丢失;或者为了避免被俘虏,可能在山谷停留很长时间;

4) 每支军队有1个参谋负责提议进攻时间;每支军队也有1个将军批准参谋提出的进攻时间;很明显,1个参谋提出的进攻时间需要获得至少2个将军的批准才有意义;

5) 问题:是否存在一个协议,能够使得蓝军同步他们的进攻时间?

 

接下来以两个假设的场景来演绎BasicPaxos;参谋和将军需要遵循一些基本的规则

1) 参谋以两阶段提交(prepare/commit)的方式来发起提议,在prepare阶段需要给出一个编号;

2) 在prepare阶段产生冲突,将军以编号大小来裁决,编号大的参谋胜出;

3) 参谋在prepare阶段如果收到了将军返回的已接受进攻时间,在commit阶段必须使用这个返回的进攻时间;

两个参谋先后提议的场景

 【分布式】Paxos协议详解

1) 参谋1发起提议,派通信兵带信给3个将军,内容为(编号1);

2) 3个将军收到参谋1的提议,由于之前还没有保存任何编号,因此把(编号1)保存下来,避免遗忘;同时让通信兵带信回去,内容为(ok);

3) 参谋1收到至少2个将军的回复,再次派通信兵带信给3个将军,内容为(编号1,进攻时间1);

4) 3个将军收到参谋1的时间,把(编号1,进攻时间1)保存下来,避免遗忘;同时让通信兵带信回去,内容为(Accepted);

5) 参谋1收到至少2个将军的(Accepted)内容,确认进攻时间已经被大家接收;

 

6) 参谋2发起提议,派通信兵带信给3个将军,内容为(编号2);

7) 3个将军收到参谋2的提议,由于(编号2)比(编号1)大,因此把(编号2)保存下来,避免遗忘;又由于之前已经接受参谋1的提议,因此让通信兵带信回去,内容为(编号1,进攻时间1);

8) 参谋2收到至少2个将军的回复,由于回复中带来了已接受的参谋1的提议内容,参谋2因此不再提出新的进攻时间,接受参谋1提出的时间;

两个参谋交叉提议的场景

 

 【分布式】Paxos协议详解

1) 参谋1发起提议,派通信兵带信给3个将军,内容为(编号1);

2) 3个将军的情况如下

a) 将军1和将军2收到参谋1的提议,将军1和将军2把(编号1)记录下来,如果有其他参谋提出更小的编号,将被拒绝;同时让通信兵带信回去,内容为(ok);

b) 负责通知将军3的通信兵被抓,因此将军3没收到参谋1的提议;

 

3) 参谋2在同一时间也发起了提议,派通信兵带信给3个将军,内容为(编号2);

4) 3个将军的情况如下

a) 将军2和将军3收到参谋2的提议,将军2和将军3把(编号2)记录下来,如果有其他参谋提出更小的编号,将被拒绝;同时让通信兵带信回去,内容为(ok);

b) 负责通知将军1的通信兵被抓,因此将军1没收到参谋2的提议;

 

5) 参谋1收到至少2个将军的回复,再次派通信兵带信给有答复的2个将军,内容为(编号1,进攻时间1);

6) 2个将军的情况如下

a) 将军1收到了(编号1,进攻时间1),和自己保存的编号相同,因此把(编号1,进攻时间1)保存下来;同时让通信兵带信回去,内容为(Accepted);

b) 将军2收到了(编号1,进攻时间1),由于(编号1)小于已经保存的(编号2),因此让通信兵带信回去,内容为(Rejected,编号2);

 

7) 参谋2收到至少2个将军的回复,再次派通信兵带信给有答复的2个将军,内容为(编号2,进攻时间2);

8) 将军2和将军3收到了(编号2,进攻时间2),和自己保存的编号相同,因此把(编号2,进攻时间2)保存下来,同时让通信兵带信回去,内容为(Accepted);

9) 参谋2收到至少2个将军的(Accepted)内容,确认进攻时间已经被多数派接受;

 

10) 参谋1只收到了1个将军的(Accepted)内容,同时收到一个(Rejected,编号2);参谋1重新发起提议,派通信兵带信给3个将军,内容为(编号3);

11) 3个将军的情况如下

a) 将军1收到参谋1的提议,由于(编号3)大于之前保存的(编号1),因此把(编号3)保存下来;由于将军1已经接受参谋1前一次的提议,因此让通信兵带信回去,内容为(编号1,进攻时间1);

b) 将军2收到参谋1的提议,由于(编号3)大于之前保存的(编号2),因此把(编号3)保存下来;由于将军2已经接受参谋2的提议,因此让通信兵带信回去,内容为(编号2,进攻时间2);

c) 负责通知将军3的通信兵被抓,因此将军3没收到参谋1的提议;

12) 参谋1收到了至少2个将军的回复,比较两个回复的编号大小,选择大编号对应的进攻时间作为最新的提议;参谋1再次派通信兵带信给有答复的2个将军,内容为(编号3,进攻时间2);

13) 将军1和将军2收到了(编号3,进攻时间2),和自己保存的编号相同,因此保存(编号3,进攻时间2),同时让通信兵带信回去,内容为(Accepted);

14) 参谋1收到了至少2个将军的(accepted)内容,确认进攻时间已经被多数派接受;

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