Paxos&Raft算法介绍

Paoxs算法介绍

Paxos算法是莱斯利·兰伯特于1989年提出的一种基于消息传递模型的一致性算法，是目前公认的解决分布式一致性问题最有效的算法之一。

在一个分布式系统中，数据往往以多副本的形式存储在不同节点上，如分布式数据库系统，用户对系统的更新请求会同时发送给各个节点。但实际上系统是不可靠的，如节点可能会宕机、消息处理可能会慢、程序可能出故障，网络可能会延迟、中断等。如何在上述系统中保证在任何异常情况下，都不会破坏各个节点的数据一致性，正是Paxos要解决的问题。

1.   背景

传统的主从同步无法同时保证数据的一致性和可用性，分布式系统中著名的CAP理论从理论上证明了这个问题。CAP理论告诉我们C、A、P三者不能同时满足，最多只能满足其中两个。

一般来说使用网络通信的分布式系统，无法舍弃P性质，那么就只能在一致性和可用性上做一个艰难的选择。既然在分布式系统中一致性和可用性只能选一个。那Paxos、Raft等分布式一致性算法是如何做到在保证一定的可用性的同时，对外提供强一致性呢。

 

  1. 首先，由于分区很少发生，那么在系统不存在分区的情况下没什么理由牺牲C或A；
  2. 其次，C与A之间的取舍可以在同一系统内以非常细小的粒度反复发生，而每一次的决策可能因为具体的操作，乃至因为牵涉到特定的数据或用户而有所不同；
  3. 最后，这三种性质都可以在程度上衡量，并不是非黑即白的有或无。可用性可以在0%到100%之间连续变化的，一致性分很多级别，连分区也可以细分为不同含义，如系统内的不同部分对于是否存在分区可以有不一样的认知。

 

所以一致性和可用性并不是水火不容，非此即彼的。Paxos、Raft等分布式一致性算法就在一致性和可用性之间做到了很好的平衡。

2.   算法原理

Paxos算法运行在允许宕机故障的异步系统中，不要求可靠的消息传递，可容忍消息丢失、延迟、乱序以及重复。它利用大多数 (Majority) 机制保证了2F+1的容错能力，即2F+1个节点的系统最多允许F个节点同时出现故障。

Paxos将系统中的角色分为提议者 (Proposer)，决策者 (Acceptor)，和最终决策学习者 (Learner):

Proposer: 提出提案 (Proposal)。Proposal信息包括提案编号 (Proposal ID) 和提议的值 (Value)。

Acceptor：参与决策，回应Proposers的提案。收到Proposal后可以接受提案，若Proposal获得多数Acceptors的接受，则称该Proposal被批准。

Learner：不参与决策，从Proposers/Acceptors学习最新达成一致的提案（Value）。

 

一个或多个提议进程 (Proposer) 可以发起提案 (Proposal)，Paxos算法使所有提案中的某一个提案，在所有进程中达成一致。系统中的多数派同时认可该提案，即达成了一致。最多只针对一个确定的提案达成一致。在多副本状态机中，每个副本可以在Proposer、Acceptor、Learner三种角色中转换。

 

Paxos算法通过一个决议分为两个阶段（Learn阶段之前决议已经形成）：

  1. 第一阶段：Prepare阶段。Proposer向Acceptors发出Prepare请求，Acceptors针对收到的Prepare请求进行Promise承诺。
  2. 第二阶段：Accept阶段。Proposer收到超过半数Acceptors承诺的Promise后，向Acceptors发出Propose请求。Acceptors针对收到的Propose请求进行Accept处理。
  3. 第三阶段：Learn阶段。Proposer在收到多数Acceptors的Accept之后，标志着本次Accept成功，决议形成，将形成的决议发送给所有Learners。

Paxos算法伪代码描述如下：

 

  1. 获取一个Proposal ID n，为了保证Proposal ID唯一，可采用时间戳+Server ID生成；
  2. Proposer向所有Acceptors广播Prepare(n)请求；
  3. Acceptor比较n和minProposal，如果n>minProposal，minProposal=n，并且将 acceptedProposal 和 acceptedValue 返回；
  4. Proposer接收到过半数回复后，如果发现有acceptedValue返回，将所有回复中acceptedProposal最大的acceptedValue作为本次提案的value，否则可以任意决定本次提案的value；
  5. 到这里可以进入第二阶段，广播Accept (n,value) 到所有节点；
  6. Acceptor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，返回minProposal。
  7. 提议者接收到过半数请求后，如果发现有返回值result >n，表示有更新的提议，跳转到1；否则value达成一致。

第一阶段是为了获取集群中存储的最新的那条数据，第二阶段是为了将这条最新的数据同步到所有节点。在集群数据达成一致后，Proposer再次广播与上次相同的Prepare(n)请求时，由于n已经和Acceptor中保存的minProposal相等，Acceptor将不会返回acceptedProposal 和 acceptedValue，此时若用户希望执行更新操作，Proposer即可将用户需要更新的值设为本次提案的value，从而在第二阶段将value同步给所有节点。

当集群中存在多个Proposer，且提出了不同提案value时，因为消息到达顺序的不可控，有可能a节点先收到了Proposer1的提案value1，b节点先收到了Proposer2的提案value2，假设Proposer1的Proposer ID大于Proposer2的Proposer ID，则当a节点收到Proposer2的提案时，由于minProposal>n，将直接返回minProposal。此时Proposer2收到a节点的返回发现result >n，将重新进入阶段一，进行集群同步。

 

 

引用

[1] https://zhuanlan.zhihu.com/p/31727291

[2] https://zhuanlan.zhihu.com/p/31780743

 

 

Raft算法介绍

参见

https://zhuanlan.zhihu.com/p/32052223

https://www.infoq.cn/article/raft-paper

 

 

Paxos&Raft算法比较

 

raft是paxos算法的一种改进，一种简化，一种优化，一种具象化。Raft容易实现在于它的描述是非常规范的，包括了所有的实现细节。如上面的人说的有如伪代码。

paxos的描述侧重于理论，工程实现按照谷歌chubby论文中的说话，大家从paxos出现，写着写着，处理了n多实际中的细节之后，已经变成另外一个算法了，这时候正确性已经无法得到理论的保证。

 

但是 Raft 协议做了一个约束，数据库的多个投票多条日志一定要按照顺序执行，只有前一个日志被确认了才能再确认后一个日志。导致了两个问题，第一个问题是并发能力变差了。以前支持并发的提交，现在只能支持一个结束以后再进入下一个，所以它的性能变差了。第二个是可用性的问题。如果采用 Paxos 协议，当一台机器新上线的时候很快就能提供服务，因为不需要等前面的数据确认就能提供服务，但是如果使用的是 Raft 协议，需要等前面的所有日志确认以后才能提供服务，所以说 Raft 协议存在可用性的风险。

 

引用

[1] https://www.zhihu.com/question/36648084

[2] https://www.oceanbase.com/blog/fzbqhi

[3] https://www.oceanbase.com/blog/mqlia7

posted @ 2022-03-20 23:53  jason_t  阅读(1320)  评论(0)  编辑  收藏  举报