【算法分析】Basic Paxos算法解析

什么是Paxos算法

Paxos算法是莱斯利·兰伯特（Leslie Lamport，2014年图灵奖获得者，目前就职微软研究院）于1990年提出的一种基于消息传递且具有高度容错特性的一致性算法，是目前公认的解决分布式一致性问题最有效的算法之一

Google Chubby的作者Mike Burrows说过这个世界上只有一种一致性算法，那就是Paxos，其它的算法都是残次品。

Paxos算法有两个比较明显的缺点：1.难以理解 2.工程实现更难

Paxos算法还可以分为Basic Paxos, Multi-Paxos以及变种ZAB和Raft，本文重点解析Basic Paxos算法

 

什么是分布式数据一致性问题

分布式数据一致性问题示意

 

Basic Paxos解决的问题: n个节点的分布式系统收到m个数据请求，最终有且仅有一个数据请求会被所有n个节点接受从而保持分布式系统的数据一致性

Basic Paxos

 

Basic Paxos 算法解析

•第一阶段(查询提案权利)

1) 生成全局唯一且递增的ProposalID n (为了保证Proposal ID唯一和递增性，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，并且将当前已经接受的提案acceptedProposal和 acceptedValue返回(如果没有则返回null)

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

•第二阶段(发出提案请求)

5) Proposer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，返回；否则，返回minProposal。

6) Proposer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

 

直接要看懂上面的算法比较困难，用示例来解析Basic Paxos算法如下

存取款示例1–简单的顺序请求

 

 

 

 

 

 

 

 

 

存取款示例2–复杂的非顺序请求

 

 

 

 

 

 

 

 

 

三军问题示例

1.1支红军在山谷里扎营，在周围的山坡上驻扎着3支蓝军

2.红军比任意1支蓝军都要强大；如果1支蓝军单独作战，红军胜；如果2支或以上蓝军同时进攻，蓝军胜

3.三支蓝军需要同步他们的进攻时间；但他们惟一的通信媒介是派通信兵步行进入山谷，在那里他们可能被俘虏，从而将信息丢失；或者为了避免被俘虏，可能在山谷停留很长时间

4.每支蓝军的参谋负责提议进攻时间；每支蓝军需要将军批准参谋提出的进攻时间；很明显，1个参谋提出的进攻时间需要获得至少2个将军的批准才有意义

问题：是否存在一个协议，能够使得2支或以上的蓝军同步他们的进攻时间？

paxos算法抽象该问题的求解:

参谋是Proposer发出提案

将军是Acceptor接受提案并且多个将军达到数据一致性

 

1. 参谋1查询提案权利，派通信兵带信给3个将军，内容为(编号1)
2. 3个将军收到参谋1的提议，由于之前还没有保存任何编号，因此把（编号1）保存下来，避免遗忘；同时让通信兵带信回去
3. 参谋1收到至少2个将军的回复，再次派通信兵带信给3个将军，内容为（编号1，进攻时间1）
4. 3个将军收到参谋1的进攻方案，Accept (编号1，进攻时间1)，避免遗忘；同时让通信兵带信回去
5. 参谋1收到至少2个将军的确认信息，确认进攻时间已经被2个以上军队接收
6. 参谋2查询提案权利，派通信兵带信给3个将军，内容为(编号2)
7. 3个将军收到参谋2的提议，由于（编号2）比（编号1）大，因此把（编号2）保存下来，避免遗忘；又由于之前已经接受参谋1的提议，因此让通信兵带信回去，内容为（编号1，进攻时间1）
8. 参谋2收到至少2个将军的回复，由于回复中带来了已接受的参谋1的提议内容，参谋2确认已经满足2支以上蓝军同步了进攻时间，因此不再提出新的进攻时间

 

1. 参谋1发起提议，派通信兵带信给3个将军，内容为（编号1）
2. 3个将军的情况:将军1和将军2收到参谋1的提议，将军1和将军2把（编号1）记录下来，如果有其他参谋提出更小的编号，将被拒绝；同时让通信兵带信回去; 负责通知将军3的通信兵被抓，因此将军3没收到参谋1的提议；
3. 参谋2在同一时间也发起了提议，派通信兵带信给3个将军，内容为（编号2）
4. 3个将军的情况:  将军2和将军3收到参谋2的提议，将军2和将军3把（编号2）记录下来，如果有其他参谋提出更小的编号，将被拒绝；同时让通信兵带信回去’ 负责通知将军1的通信兵被抓，因此将军1没收到参谋2的提议； 
5. 参谋1收到至少2个将军的回复，再次派通信兵带信给有答复的2个将军，内容为（编号1，进攻时间1）
6. 2个将军的情况: 将军1收到了（编号1，进攻时间1），和自己保存的编号相同，因此把（编号1，进攻时间1）保存下来；同时让通信兵带信回去； 将军2收到了（编号1，进攻时间1），由于（编号1）小于已经保存的（编号2），因此让通信兵带信回去
7. 参谋2收到至少2个将军的回复，再次派通信兵带信给有答复的2个将军，内容为（编号2，进攻时间2）
8. 2个将军的情况: 将军2收到了（编号2，进攻时间2），和自己保存的编号相同，因此把（编号2，进攻时间2）保存下来，同时让通信兵带信回去;  将军3收到了（编号2，进攻时间2），和自己保存的编号相同，因此把（编号2，进攻时间2）保存下来，同时让通信兵带信回去
9. 参谋2收到至少2个将军的确认回复，确认进攻时间已经被2支以上蓝军接受
10. 参谋1只收到了1个将军的确认，同时收到一个Reject所以参谋1重新发起提议，派通信兵带信给3个将军
11. 3个将军的情况:  将军1收到参谋1的提议，由于（编号3）大于之前保存的（编号1），因此把（编号3）保存下来；由于将军1已经接受参谋1前一次的提议，因此让通信兵带信回去，内容为（编号1，进攻时间1）;将军2收到参谋1的提议，由于（编号3）大于之前保存的（编号2），因此把（编号3）保存下来；由于将军2已经接受参谋2的提议，因此让通信兵带信回去，内容为（编号2，进攻时间2）; 负责通知将军3的通信兵被抓，因此将军3没收到参谋1的提议；
12. 参谋1收到了至少2个将军的回复，比较两个回复的编号大小，选择大编号对应的进攻时间作为最新的提议；参谋1再次派通信兵带信给有答复的2个将军，内容为（编号3，进攻时间2）
13. 2个将军的情况: 将军1收到了（编号3，进攻时间2），和自己保存的编号相同，因此保存（编号3，进攻时间2），同时让通信兵带信回去，;   将军2收到了（编号3，进攻时间2），和自己保存的编号相同，因此保存（编号3，进攻时间2），同时让通信兵带信回去
14. 参谋1收到了至少2个将军的确认信息，确认进攻时间已经被2支以上蓝军接受