paxos算法简析
今天听到了一个笑话，原文如下：The Paxos algorithm, when presented in plain English, is very simple.
嗯，我们接着说，paxos算法应该是最经典的分布式一致性算法了(考虑各种异常处理)，后续的raft和zab都可以认为是其延伸与变种，本文也会对raft做简单介绍。下面先尝试讲一下paxos算法到底是解决了什么问题，有哪些前置设定与其要求。
一、paxos解决的问题：
众所周知，cap不可兼得。一般来讲我们会选择可用性与分区容错性，而在一致性上只追求多数一致性。即当多个节点之间不一致时，少数服从多数，以多数的结果为准
二、paxos的前置设定：
1、在paxos一致性算法中，存在三种参与者，即提案人，投票人，执行人。又提案人进行提议，投票人进行投票，执行人进行执行结果。
2、所有提案带有序号，序号根据时间单调递增。后提出的提案一定比先提出的提案序号更大。
3、同参与者之间可以通过发送消息来通信，使用普通的非拜占庭模式的异步模型：
- 每个参与者以任意的速度执行，可能会出错而停止，也可能会重启。
- 当一个提案被选定后，所有的参与者都有可能失败或重启，因此那些失败或重启的参与者可以记录他们的历史应答信息（否则是不可能存在一个解的）。
- 消息在传输中可能花费任意的时间，可能会重复，丢失，但是不会被损坏(即不存在拜占庭将军问题)。
4、我们假定投票人总数为2p+1
5、每一条提案，提案人会向投票人发起两次请求，即准备投票请求和投票请求。只有当准备投票请求被半数以上的投票人接受是，才会真正发起投票请求，而投票请求通过，才会通知执行人执行投票请求中的值。
6、投票人会记得自己曾经同意过的序号最大的选举请求的序号和值。
7、提案人只需要通知多与p+1个投票人即可，单如果提案想被执行，需要p+1个投票人同意。
三、paxos算法的描述：
原作者在Paxos Made Simple 论文中采取了根据结果倒推条件并逐步收紧的描述，简单描述最后的条件如下：
1、任一投票者只要还未响应任何编号大于 n 的prepare请求，就可以接受一个编号为 n 的提案。
2、一个值为k编号为n的提案如果想被提出，一定要满足以下两种条件之一：
- p+1的选举者已经拒绝了所有1到n-1之间的提案
- n是当前所有选举者同意过的，序号最大的提案的值
3、当投票者接到序号为n准备投票请求时，需要进行以下操作
- 保证不再接受任何序号小于n的投票请求(进一步优化，可以不再接受序号小于等于的准备请求)
- 如果曾经接受过序号小于n的投票请求，返回序号最大的请求的序号和值
按照如上条件，我们可以按照请求顺序去推演一次序号为n的投票流程：
1、提案者序号为n的请求准备
2、投票者不再接受序号小于n的请求，并且返回曾经接受过的序号最大的请求
3、提案者汇总所有投票者对于准备请求的回执，取其中序号最大的回执的值，作为此次提案的值。如果值不存在，则提案者可以自定义提案值
4、投票者只要尚未同意过值大于n的提案，就通过值为n的提案
四、paxos算法时序图：
4.1投票出结果后，再次发起投票
- 3.1中的3表示第三轮请求，1表示由s1提出，X为接受的提案值
- 由于x已经被s3接受，所以P4.5在s3中会返回x，后续的投票请求的值自然也是x。
4.2投票被部分接受后，尚未形成结果再次发起投票
4.3投票未被多数接受时，再次发起投票
- 在A3.1X发出到S3机器，但是尚未响应前，此时发起p4.5，s3,s4,s5均未能返回值，所以s4定义了提案值为Y。并且被通过。
- 后续A3.1在s3会被拒绝。
五、活锁：
如啥按图所示，s1与s5交互提案，会导致活锁。
实际实现过程，可有通过修改每次参与的投票者，或者随机新一轮提案产生时间的延时，均可解决此问题
六、raft：
basic-paxos算法，大多数时间，还是难以理解与实现(实际上paxos的强大之处更多地在于可以兼容太多异常情况)。于是有了基于paxos做出一定简化的raft算法，
- raft算法中有三种角色，分别是跟随者，领导人，候选人。所有节点初始态都是跟随者。
- 所有节点会默认同意任意投票请求
- 每个节点有一个随机的升职时间，如果到达升职时间，还是跟随者，那么该节点会向其余所有节点发出投票请求，最近获取票数最多的节点会自动升职为领导人。并向其他跟随者发送消息，让他们变更为候选人
- 候选人依旧会在随机时间后，发起投票想把自己变成领导人。为了防止篡位，领导人会在一个比所有随机时间更短的时间周期内，发出心跳消息，让所有候选人重置随机时间（比如后续人篡位随机时间在4-10秒，那么心跳消息间隔就是3秒）。
- 当领导人宕机后，有可能多个候选人正好一起觉醒想篡位。那么他们会形成平票，此时不形成领导者。只需要等候下一次投票即可，由于随机时间不同，所以连续平票概率极低
- 领导者选出后，后续修改请求会先请求领导人，此时领导人会与候选人中以类似2pc的方式进行通信同步修改。但是领导人只要收到半数或超过半数的候选人声明准备修改成功，他就会修改自身并通知候选人提交修改，同时对外返回修改成功。
参考资料：
