理解分布式一致性:Paxos协议之Basic Paxos

理解分布式一致性:Paxos协议之Basic Paxos

理解分布式一致性:Raft协议中,我们详细分析了什么是分布式一致性和实现分布式一致性的Raft协议,本文我们主要讲一下分布式一致性的Paxos协议。

大家可能在各个场合都听说过Paxos协议,毕竟这个开创性的协议是很多分布式协议的鼻祖,比如后面比较有名的Raft协议就是基于Paxos协议发展而来的。现实中也有很多产品在使用Paxos协议,像是Google的Chubby,Spanner,IBM的SVC等。 但是在笔者的学习过程中,发现介绍Paxos协议的很多,但是真正能把它讲明白的却很少。所以笔者特意花了一定的时间来研究Paxos协议,现把学习结果分析如下。

其实Paxos的作者Leslie Lamport早在2001年就写过一篇Paxos Made Simple的论文,来尽可能的简化Paxos的描述。大家可以在Paxos Made Simple获取作者的这篇论文。

角色

在Paxos协议中存在5种角色: client, acceptor, proposer, learner, 和 leader。但在实际的实现中,一个服务可能同时扮演一个或者多个角色,这样做的考虑是为了减少消息延迟和消息数量,提升整个Paxos协议的工作效率。

Client Client 是指请求的发起端,Client发送请求给分布式系统,并等待回复。

Acceptor (Voters) Acceptor 可以看做是消息请求的存储器。一般来说Acceptors是由一定数量的服务组成的,当消息被发送给Acceptor, 只有大部分Acceptor确认接收此消息,该消息才会被存储,否则该消息将被丢弃。

Proposer Proposer 可以看做Client的代理人,Proposer将Client的消息请求发送给Acceptors,并等待Acceptors的确认。在发生消息冲突时,Proposer将会尝试解决冲突。

Learner Learners可以看做是所有被确认消息的执行器,一旦有Client的消息请求被Acceptors确认之后,Learners会做相应的处理(如:执行消息内容,发送回复给Client)。Learner可以有多个。

Leader Paxos需要一个Leader来确保分布式系统可以按步骤进行下去。这里的Leader其实就是一个Proposer, Paxos协议会确保只有一个Proposer会被当做Leader。

Proposal Number & Agreed Value

Proposal Number 也叫提案编号,我们用n表示,对于每一个Proposer来说,每一个提案编号都是唯一的。 Agreed Value也叫确认值,我们用v来表示,v是Acceptors确认的值。 两个值组合起来就是(n,v)。

Basic Paxos

Paxos协议有很多变种,这里我们首先介绍一下Basis Paxos,后面的文章我们会继续介绍其他的Paxos协议。当然,既然是基础的Paxos协议,搞懂了它,对于其他的Paxos协议自然手到擒来。

在Basic Paxos 协议中,有很多次的执行过程,每次执行过程产生一个单独的执行结果。每次执行过程都有很多轮次,每一轮都有2个阶段。

阶段1

  • 阶段1A:Prepare
    在Prepare阶段,一个Proposer会创建一个Prepare消息,每个Prepare消息都有唯一的提案编号n。n并不是将要提案的内容,而只是一个唯一的编号,用来标志这个Prepare的消息。 n必须比该Proposer之前用过的所有编号都大,一般来说我们可以以数字递增的方式来实现这个编号。 接下来Proposer会把该编号发送给Acceptors,只有大多数Acceptors接收到Proposer发来的消息,该消息才算是发送成功。

    • 阶段1B:Promise
      所有的Acceptors都在等待从Proposers发过来的Prepare消息。当一个Acceptor收到从Proposer发过来的Prepare消息时候,会有两种情况:
    • 该消息中的n是Acceptor所有收到的Prepare消息中最大的一个,那么该Acceptor必须返回一个Promise消息给Proposer,告诉它后面所有小于n的消息我都会忽略掉。如果该Acceptor在过去的某个时间已经确认了某个消息,那么它必须返回那个消息的proposal number m 和 accepted value w (m,w)。如果该Acceptor在过去并没有确认过任何消息,那么会返回NULL。
    • 如果Prepare消息中的n小于该Acceptor之前接收到的消息,那么该消息会被Acceptor忽略(为了优化也可以返回一个拒绝消息给Proposer,告诉它不要再发小于n的消息给我了)。

阶段2

  • 阶段2A:Accept
    如果一个Proposer从Acceptors接收到了足够多的Promises(>n/2),这表示该Proposer可以开始下一个Accept请求的阶段了,在Accept阶段,Proposer需要设置一个值,然后向Acceptors发送Accept请求。 在阶段1B我们讲到了,如果Acceptor之前确认过消息,那么会把该消息编号和消息的值(m,w)返回给Proposer, Proposer收到多个Acceptors返回过来的消息之后,会从中选择编号最大的一个消息所对应的值z,并把他作为Accept请求的值(n,z)发给Acceptor。如果所有的Acceptors都没有确认过消息,那么Proposer可以自主选择要确认的值z。
  • 阶段 2b: Accepted
    当Acceptor接收到了Proposer的确认消息请求(n,z),如果该Acceptor在阶段1b的时候没有promise只接收>n的消息,那么该(n,z)消息就必须被Acceptor确认。 当(n,z)消息被Acceptor确认时,Acceptor会发送一个Accepted(n,z)消息给Proposer 和所有的Learner。当然在大部分情况下Proposer和Learner这两个角色可以合并。
    如果该Acceptor在阶段1b的时候promise只接收>n的消息,那么该确认请求消息会被拒绝或者忽略。
    按照以上的逻辑就会出现在一个轮次中,Acceptor 确认多次消息的情况。什么情况下才会出现这样的情况呢? 我们举个例子:
    Acceptor 收到Accept(n,z),然后返回了Accepted(n,z),接下来该Acceptor 又收到了Prepare(n+1)请求,按照阶段1B的原则,Acceptor会 Promise (n+1,z),然后Acceptor 收到Accept(n+1,z),最后返回Accepted(n+1,z)。大家可以看到尽管Acceptor 确认了多次请求,但是最终会确保确认的值是保持一致的。

下面我们会用序列图的方式形象的描述Basis Paxos中可能出现的各种情况。

Basic Paxos without failures

在该序列图中,有1个Client,3个Acceptors和1个Learner,该图表示的是在第一轮执行过程中就成功的例子。

在第一轮就成功只是Paxos协议中一部分情况,其实在真实的世界中由于网络,系统等各种原因会造成多种情况的意外,最后导致协议往往并不能在第一轮就成功,往往需要经历好几轮。

Basic Paxos when an Acceptor fails

如果有一个Acceptor因为各种原因挂掉了,3个Acceptors变成了2个Acceptors,还是满足>n/2 的要求,所以还是会成功。

Basic Paxos when an Proposer fails

如果Proposer 在发送了一条Accept消息之后,但是还没收到Accepted消息之前就挂掉了,只有一个Acceptor接收到了Accept消息。那么整个Paxos协议就没法进行下去了,这时一个新的Leader(Proposer)会被选举出来,重新开始一轮新的共识。

Basic Paxos when multiple Proposers conflict

最后再描述一个最复杂的情况,即有多个Proposers认为他们是Leaders,并不断的发送Prepare请求。为什么会有多个Leaders呢? 有可能一个Proposer当了一段时间Leader之后挂掉了,新的Proposer被选为Leader继续新的一轮共识。后面挂掉的Proposer又恢复了,它认为自己还是Leader,所以继续发送Prepare请求。

本次的Basic Paxos协议就介绍到这里。后面我们会继续介绍Paxos的其他变种。

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