图解 Paxos 一致性协议

前言

Paxos 一致性协议可以说是一致性协议研究的起点,也以难以理解闻名。其实协议本身并没有多难理解,它的难理解性主要体现在:为何如此设计协议以及如何证明其正确性。本文尝试通过流程图来说明协议的内容以及基本应用过程,不涉及如何证明其正确性。

基本概念

Paxos 可以分为两种:

  • Single-Decree Paxos:决策单个 Value
  • Multi-Paxos:连续决策多个 Value,并且保证每个节点上的顺序完全一致,多 Paxos 往往是同事运行多个单 Paxos 协议共同执行的结果。

本文只关注单 Paxos 的原理,理解了单 Paxos,多 Paxos 也就不难理解了。

Paxos 协议中的三种角色

  • 倡议者(Proposer):倡议者可以提出提议(数值或者操作命令)以供投票表决
  • 接受者(Acceptor):接受者可以对倡议者提出的提议进行投票表决,提议有超半数的接受者投票即被选中
  • 学习者(Learner):学习者无投票权,只是从接受者那里获知哪个提议被选中

在协议中,每个节点可以同时扮演以上多个角色。

Paxos 的特点

  • 一个或多个节点可以提出提议
  • 系统必须针对所有提案中的某个提案达成一致(超过半数的接受者选中)
  • 最多只能对一个确定的提议达成一致
  • 只要超半数的节点存活且可互相通信,整个系统一定能达成一致状态,即选择一个确定的提议

协议图示

Paxos
通过上面的流程,如果有多个节点同时提出各自的提议,Paxos 就可以保证从中选出一个唯一确定的值,保证分布式系统的一致性。

实例

下面我们通过例子来理解 Paxos 的实际应用过程。

假设现在有五个节点的分布式系统,此时 A 节点打算提议 X 值,E 节点打算提议 Y 值,其他节点没有提议。
Paxos-1

假设现在 A 节点广播它的提议(也会发送给自己),由于网络延迟的原因,只有 A,B,C 节点收到了。注意即使 A,E 节点的提议同时到达某个节点,它也必然有个先后处理的顺序,这里的“同时”不是真正意义上的“同时”。
Paxos-2

A,B,C接收提议之后,由于这是第一个它们接收到的提议,acceptedProposal 和 acceptedValue 都为空。
Paxos-3

由于 A 节点已经收到超半数的节点响应,且返回的 acceptedValue 都为空,也就是说它可以用 X 作为提议的值来发生 Accept 请求,A,B,C接收到请求之后,将 acceptedValue 更新为 X。
Paxos-4

A,B,C 会发生 minProposal 给 A,A 检查发现没有大于 1 的 minProposal 出现,此时 X 已经被选中。等等,我们是不是忘了D,E节点?它们的 acceptedValue 并不是 X,系统还处于不一致状态。至此,Paxos 过程还没有结束,我们继续看。
Paxos-5

此时 E 节点选择 Proposal ID 为 2 发送 Prepare 请求,结果就和上面不一样了,因为 C 节点已经接受了 A 节点的提议,它不会三心二意,所以就告诉 E 节点它的选择,E 节点也很绅士,既然 C 选择了 A 的提议,那我也选它吧。于是,E 发起 Accept 请求,使用 X 作为提议值,至此,整个分布式系统达成了一致,大家都选择了 X。
Paxos-6

上面是 Paxos 的一个简单应用过程,其他复杂的场景也可以根据流程图慢慢推导,这里只是抛砖引玉。

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关于作者:肖汉松

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