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深入剖析共识性算法 Paxos |
2020-02-02 14:00:00 -0800 |
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Paxos 是一种基于消息传递且具有容错性的共识性（consensus）算法。
Paxos 算法解决的问题正是分布式一致性问题。在一个节点数为 2N+1 的分布式集群中，只要半数以上的节点（N + 1）还正常工作，整个系统仍可以正常工作。
Paxos 是 Leslie Lamport 于 1990 年提出的一种基于消息传递且具有高度容错特性的共识（consensus）算法。
为描述 Paxos 算法，Lamport 虚拟了一个叫做 Paxos 的希腊城邦，这个岛按照议会民主制的政治模式制订法律，但是没有人愿意将自己的全部时间和精力放在这种事情上。所以无论是议员，议长或者传递纸条的服务员都不能承诺别人需要时一定会出现，也无法承诺批准决议或者传递消息的时间。
Paxos 算法包含 2 个部分：
- Basic Paxos 算法：描述的多节点之间如何就某个值达成共识。
- Multi Paxos 思想：描述的是执行多个 Basic Paxos 实例，就一系列值达成共识。
Paxos 算法解决的问题正是分布式共识性问题，即一个分布式系统中的各个进程如何就某个值（决议）达成一致。
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 2N+1 的容错能力，即 2N+1 个节点的系统最多允许 N 个节点同时出现故障。
Paxos 将分布式系统中的节点分 Proposer、Acceptor、Learner 三种角色。
- 提议者（Proposer）：发出提案（Proposal），用于投票表决。Proposal 信息包括提案编号 (Proposal ID) 和提议的值 (Value)。在绝大多数场景中，集群中收到客户端请求的节点，才是提议者。这样做的好处是，对业务代码没有入侵性，也就是说，我们不需要在业务代码中实现算法逻辑。
- 接受者（Acceptor）：对每个 Proposal 进行投票，若 Proposal 获得多数 Acceptor 的接受，则称该 Proposal 被批准。一般来说，集群中的所有节点都在扮演接受者的角色，参与共识协商，并接受和存储数据。
- 学习者（Learner）：不参与接受，从 Proposers/Acceptors 学习、记录最新达成共识的提案（Value）。一般来说，学习者是数据备份节点，比如主从架构中的从节点，被动地接受数据，容灾备份。
在多副本状态机中，每个副本都同时具有 Proposer、Acceptor、Learner 三种角色。
这三种角色，在本质上代表的是三种功能：
- 提议者代表的是接入和协调功能，收到客户端请求后，发起二阶段提交，进行共识协商；
- 接受者代表投票协商和存储数据，对提议的值进行投票，并接受达成共识的值，存储保存；
- 学习者代表存储数据，不参与共识协商，只接受达成共识的值，存储保存。
Paxos 算法有 3 个阶段，其中，前 2 个阶段负责协商并达成共识：
- 准备（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。
- 接受（Accept）阶段：Proposer 收到多数 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。
- 学习（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。
看到这里，了解过分布式事务的读者，想必会觉得眼熟：这不就是两阶段提交嘛！没错，这里采用的正式两阶段提交的思想。两阶段提交是达成共识的常用方式。
Paxos 算法流程中的每条消息描述如下：
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Prepare: Proposer 生成全局唯一且递增的 Proposal ID (可使用时间戳加 Server ID)，向所有 Acceptors 发送 Prepare 请求，这里无需携带提案内容，只携带 Proposal ID 即可。
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Promise: Acceptors 收到 Prepare 请求后，做出“两个承诺，一个应答”。
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两个承诺：
- 不再接受 Proposal ID 小于等于当前请求的 Prepare 请求。
- 不再接受 Proposal ID 小于当前请求的 Propose 请求。
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一个应答：
- 不违背以前作出的承诺下，回复已经 Accept 过的提案中 Proposal ID 最大的那个提案的 Value 和 Proposal ID，没有则返回空值。
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Propose: Proposer 收到多数 Acceptors 的 Promise 应答后，从应答中选择 Proposal ID 最大的提案的 Value，作为本次要发起的提案。如果所有应答的提案 Value 均为空值，则可以自己随意决定提案 Value。然后携带当前 Proposal ID，向所有 Acceptors 发送 Propose 请求。
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Accept: Acceptor 收到 Propose 请求后，在不违背自己之前作出的承诺下，接受并持久化当前 Proposal ID 和提案 Value。
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Learn: Proposer 收到多数 Acceptors 的 Accept 后，决议形成，将形成的决议发送给所有 Learners。
在准备请求中是不需要指定提议的值的，只需要携带提案编号就可以了。
下图的示例中，首先客户端 1、2 作为提议者，分别向所有接受者发送包含提案编号的准备请求：
接着，当节点 A、B 收到提案编号为 1 的准备请求，节点 C 收到提案编号为 5 的准备请求后，将进行这样的处理：
- 由于之前没有通过任何提案，所以节点 A、B 将返回一个 “尚无提案” 的响应。也就是说节点 A 和 B 在告诉提议者，我之前没有通过任何提案呢，并承诺以后不再响应提案编号小于等于 1 的准备请求，不会通过编号小于 1 的提案。
- 节点 C 也是如此，它将返回一个 “尚无提案”的响应，并承诺以后不再响应提案编号小于等于 5 的准备请求，不会通过编号小于 5 的提案。
另外，当节点 A、B 收到提案编号为 5 的准备请求，和节点 C 收到提案编号为 1 的准备请求的时候，将进行这样的处理过程：
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当节点 A、B 收到提案编号为 5 的准备请求的时候，因为提案编号 5 大于它们之前响应的准备请求的提案编号 1，而且两个节点都没有通过任何提案，所以它将返回一个 “尚无提案”的响应，并承诺以后不再响应提案编号小于等于 5 的准备请求，不会通过编号小于 5 的提案。
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当节点 C 收到提案编号为 1 的准备请求的时候，由于提案编号 1 小于它之前响应的准备请求的提案编号 5，所以丢弃该准备请求，不做响应。
首先客户端 1、2 在收到大多数节点的准备响应之后，会分别发送接受请求：
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当客户端 1 收到大多数的接受者（节点 A、B）的准备响应后，根据响应中提案编号最大的提案的值，设置接受请求中的值。因为该值在来自节点 A、B 的准备响应中都为空（也就是图 5 中的“尚无提案”），所以就把自己的提议值 3 作为提案的值，发送接受请求[1, 3]。
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当客户端 2 收到大多数的接受者的准备响应后（节点 A、B 和节点 C），根据响应中提案编号最大的提案的值，来设置接受请求中的值。因为该值在来自节点 A、B、C 的准备响应中都为空（也就是图 5 和图 6 中的“尚无提案”），所以就把自己的提议值 7 作为提案的值，发送接受请求[5, 7]。
当三个节点收到 2 个客户端的接受请求时，会进行这样的处理：
- 当节点 A、B、C 收到接受请求[1, 3]的时候，由于提案的提案编号 1 小于三个节点承诺能通过的提案的最小提案编号 5，所以提案[1, 3]将被拒绝。
- 当节点 A、B、C 收到接受请求[5, 7]的时候，由于提案的提案编号 5 不小于三个节点承诺能通过的提案的最小提案编号 5，所以就通过提案[5, 7]，也就是接受了值 7，三个节点就 X 值为 7 达成了共识。
Basic Paxos 是通过二阶段提交的方式来达成共识的。
除了共识，Basic Paxos 还实现了容错，在少于一半的节点出现故障时，集群也能工作。它不像分布式事务算法那样，必须要所有节点都同意后才提交操作，因为“所有节点都同意”这个原则，在出现节点故障的时候会导致整个集群不可用。也就是说，“大多数节点都同意”的原则，赋予了 Basic Paxos 容错的能力，让它能够容忍少于一半的节点的故障。
本质上而言，提案编号的大小代表着优先级，你可以这么理解，根据提案编号的大小，接受者保证三个承诺，具体来说：
- 如果准备请求的提案编号，小于等于接受者已经响应的准备请求的提案编号，那么接受者将承诺不响应这个准备请求；
- 如果接受请求中的提案的提案编号，小于接受者已经响应的准备请求的提案编号，那么接受者将承诺不通过这个提案；
- 如果接受者之前有通过提案，那么接受者将承诺，会在准备请求的响应中，包含已经通过的最大编号的提案信息。
兰伯特提到的 Multi-Paxos 是一种思想，不是算法。而 Multi-Paxos 算法是一个统称，它是指基于 Multi-Paxos 思想，通过多个 Basic Paxos 实例实现一系列值的共识的算法（比如 Chubby 的 Multi-Paxos 实现、Raft 算法等）。
Basic Paxos 有以下问题，导致它不能应用于实际：
- Basic Paxos 算法只能对一个值形成决议。
- Basic Paxos 算法会消耗大量网络带宽。Basic Paxos 中，决议的形成至少需要两次网络通信，在高并发情况下可能需要更多的网络通信，极端情况下甚至可能形成活锁。如果想连续确定多个值，Basic Paxos 搞不定了。
Multi Paxos 正是为解决以上问题而提出。Multi Paxos 基于 Basic Paxos 做了两点改进：
- 针对每一个要确定的值，运行一次 Paxos 算法实例（Instance），形成决议。每一个 Paxos 实例使用唯一的 Instance ID 标识。
- 在所有 Proposer 中选举一个 Leader，由 Leader 唯一地提交 Proposal 给 Acceptor 进行表决。这样没有 Proposer 竞争，解决了活锁问题。在系统中仅有一个 Leader 进行 Value 提交的情况下，Prepare 阶段就可以跳过，从而将两阶段变为一阶段，提高效率。
Multi Paxos 首先需要选举 Leader，Leader 的确定也是一次决议的形成，所以可执行一次 Basic Paxos 实例来选举出一个 Leader。选出 Leader 之后只能由 Leader 提交 Proposal，在 Leader 宕机之后服务临时不可用，需要重新选举 Leader 继续服务。在系统中仅有一个 Leader 进行 Proposal 提交的情况下，Prepare 阶段可以跳过。
Multi Paxos 通过改变 Prepare 阶段的作用范围至后面 Leader 提交的所有实例，从而使得 Leader 的连续提交只需要执行一次 Prepare 阶段，后续只需要执行 Accept 阶段，将两阶段变为一阶段，提高了效率。为了区分连续提交的多个实例，每个实例使用一个 Instance ID 标识，Instance ID 由 Leader 本地递增生成即可。
Multi Paxos 允许有多个自认为是 Leader 的节点并发提交 Proposal 而不影响其安全性，这样的场景即退化为 Basic Paxos。
Chubby 和 Boxwood 均使用 Multi Paxos。ZooKeeper 使用的 Zab 也是 Multi Paxos 的变形。