分布式系统理论学习总结

##本文基于之前的分布式系统理论系列文章总结而成,主要是理论部分，详细内容可见我的专栏：分布式系统理论与实践

##https://blog.csdn.net/column/details/24090.html

本文主要是按照我自己的理解以及参考之前文章综合而成的，其中可能会有一些错误，还请见谅，也请指出。

分布式理论

CAP

CAP定理讲的是三个性。consistency数据一致性，availability可用性，partition tolerance分区容错性。

三者只能选其中两者。为什么呢，看看这三个性质意味着什么吧。

首先看看分区容错性，分区容错性指的是网络出现分区（丢包，断网，超时等情况都属于网络分区）时，整个服务仍然可用。

由于网络分区在实际环境下一定存在，所以必须首先被考虑。于是分区容错性是必须要保证的，否则一旦出现分区服务就不可用，那就没办法弄了。

所以实际上是2选1的问题。在可用性和一致性中做出选择。

在一个分布式环境下，多个节点一起对外提供服务，如果要保证可用性，那么一台机器宕机了仍然有其他机器能提供服务。
但是宕机的机器重启以后就会发现数据和其他机器存在不一致，那么一致性就无法得到保证。

如果保证一致性，如果有机器宕机，那么其他节点就不能工作了，否则一定会产生数据不一致。

BASE

在这么严苛的规定下，CAP一般很难实现一个健壮的系统。于是提出了BASE来削弱这些要求。

BASE是基本可用basically available，soft state软状态，eventually consistent最终一致性。

基本可用就是允许服务在某些时候降级，比如淘宝在高峰时期会关闭退货等服务。

软状态就是允许数据出现中间状态，比如支付宝提交转账以后并不是立刻到账，中间经过了多次消息传递和转发。

最终一致性就是指数据最终要是一致的，比如多个节点的数据需要定期同步，支付宝转账最终一定会到账。

分布式系统关键词

时钟，时间，事件顺序

分布式系统的一个问题在与缺少全局时钟，所以大家没有一个统一的时间，就很难用时间去确定各个节点事件的发生顺序，为了保证事件的顺序执行，

Lamport timestamps

Leslie Lamport 在1978年提出逻辑时钟的概念，并描述了一种逻辑时钟的表示方法，这个方法被称为Lamport时间戳(Lamport timestamps)[3]。

[外链图片转存失败(img-J9mY3bqO-1565108332493)(https://images2015.cnblogs.com/blog/116770/201605/116770-20160501174922566-1686627384.png)]

分布式系统中按是否存在节点交互可分为三类事件，一类发生于节点内部，二是发送事件，三是接收事件。Lamport时间戳原理如下：

每个事件对应一个Lamport时间戳，初始值为0
如果事件在节点内发生，时间戳加1
如果事件属于发送事件，时间戳加1并在消息中带上该时间戳
如果事件属于接收事件，时间戳 = Max(本地时间戳，消息中的时间戳) + 1

这样的话，节点内的事件有序，发送事件有序，接收事件一定在发送事件以后发生。再加上人为的一些规定，因此根据时间戳可以确定一个全序排列。

Vector clock

Lamport时间戳帮助我们得到事件顺序关系，但还有一种顺序关系不能用Lamport时间戳很好地表示出来，那就是同时发生关系(concurrent)[4]。
Vector clock是在Lamport时间戳基础上演进的另一种逻辑时钟方法，它通过vector结构不但记录本节点的Lamport时间戳，同时也记录了其他节点的Lamport时间戳[5][6]。

[外链图片转存失败(img-fBb0fp1Z-1565108332495)(https://images2015.cnblogs.com/blog/116770/201605/116770-20160502134654404-1109556515.png)]

如果 Tb[Q] > Ta[Q] 并且 Tb[P] < Ta[P]，则认为a、b同时发生，记作 a <-> b。例如图2中节点B上的第4个事件 (A:2，B:4，C:1) 与节点C上的第2个事件 (B:3，C:2) 没有因果关系、属于同时发生事件。

因为B4 > B3并且 C1

Version vector

基于Vector clock我们可以获得任意两个事件的顺序关系，结果或为先后顺序或为同时发生，识别事件顺序在工程实践中有很重要的引申应用，最常见的应用是发现数据冲突(detect conflict)。

分布式系统中数据一般存在多个副本(replication)，多个副本可能被同时更新，这会引起副本间数据不一致[7]，Version vector的实现与Vector clock非常类似[8]，目的用于发现数据冲突[9]。

当两个写入数据事件同时发生则发生了冲突，于是通过某些方法解决数据冲突。

Vector clock只用于发现数据冲突，不能解决数据冲突。如何解决数据冲突因场景而异，具体方法有以最后更新为准(last write win)，或将冲突的数据交给client由client端决定如何处理，或通过quorum决议事先避免数据冲突的情况发生[11]。

选主，租约，多数派

选举(election)是分布式系统实践中常见的问题，通过打破节点间的对等关系，选得的leader(或叫master、coordinator)有助于实现事务原子性、提升决议效率。

多数派(quorum)的思路帮助我们在网络分化的情况下达成决议一致性，在leader选举的场景下帮助我们选出唯一leader。

租约(lease)在一定期限内给予节点特定权利，也可以用于实现leader选举。

选举(electioin)

一致性问题(consistency)是独立的节点间如何达成决议的问题，选出大家都认可的leader本质上也是一致性问题，因而如何应对宕机恢复、网络分化等在leader选举中也需要考量。

在一致性算法Paxos、ZAB[2]、Raft[3]中，为提升决议效率均有节点充当leader的角色。

ZAB、Raft中描述了具体的leader选举实现，与Bully算法类似ZAB中使用zxid标识节点，具有最大zxid的节点表示其所具备的事务(transaction)最新、被选为leader。

多数派(quorum)

在网络分化的场景下以上Bully算法会遇到一个问题，被分隔的节点都认为自己具有最大的序号、将产生多个leader，这时候就需要引入多数派(quorum)[4]。多数派的思路在分布式系统中很常见，其确保网络分化情况下决议唯一。

租约(lease)

选举中很重要的一个问题，以上尚未提到：怎么判断leader不可用、什么时候应该发起重新选举？

最先可能想到会通过心跳(heart beat)判别leader状态是否正常，但在网络拥塞或瞬断的情况下，这容易导致出现双主。

租约(lease)是解决该问题的常用方法，其最初提出时用于解决分布式缓存一致性问题[6]，后面在分布式锁[7]等很多方面都有应用。

(a). 节点0、1、2在Z上注册自己，Z根据一定的规则(例如先到先得)颁发租约给节点，该租约同时对应一个有效时长；这里假设节点0获得租约、成为leader

(b). leader宕机时，只有租约到期(timeout)后才重新发起选举，这里节点1获得租约、成为leader

租约机制确保了一个时刻最多只有一个leader，避免只使用心跳机制产生双主的问题。在实践应用中，zookeeper、ectd可用于租约颁发。

一致性，2pc和3pc

一致性(consensus)

何为一致性问题？简单而言，一致性问题就是相互独立的节点之间如何达成一项决议的问题。分布式系统中，进行数据库事务提交(commit transaction)、Leader选举、序列号生成等都会遇到一致性问题。

为了保证执行的一致性，可以使用2pc两段式提交和3pc三段式提交。

2PC

2PC(tow phase commit)两阶段提交[5]顾名思义它分成两个阶段，先由一方进行提议(propose)并收集其他节点的反馈(vote)，再根据反馈决定提交(commit)或中止(abort)事务。我们将提议的节点称为协调者(coordinator)，其他参与决议节点称为参与者(participants, 或cohorts)：

举个例子，首先用户想要执行一个事务，于是提交给leader，leader先让各个节点执行该事务。

我们要知道，事务是通过日志来实现的。各个节点使用redo日志进行重做，使用undo日志进行回滚。

于是各个节点执行事务，并把执行结果是否成功返回给leader，当leader收到全部确认消息后，发送消息让所有节点commit。如果有节点执行失败，则leader要求所有节点回滚。

2pc可能出现的一些问题是：

1 leader必须等待所有节点结果，如果有节点宕机或超时，则拒绝该事务，并向节点发送回滚的信息。

2 如果leader宕机，则一般配置watcherdog自动切换成备用leader，然后进行下一次的请求提交。

3这两种情况单独发生时都没有关系，有对应的措施可以进行回滚，但是如果当一个节点宕机时leader正在等待所有节点消息，其他节点也在等待leader最后的消息。

此时leader也不幸宕机，切换之后leader并不知道一个节点宕机了，这样的话其他的节点也会被阻塞住导致无法回滚。

3PC
[外链图片转存失败(img-iJHwccXm-1565108332495)(https://images2015.cnblogs.com/blog/116770/201603/116770-20160314002734304-489496391.png)]
coordinator接收完participant的反馈(vote)之后，进入阶段2，给各个participant发送准备提交(prepare to commit)指令

。participant接到准备提交指令后可以锁资源，但要求相关操作必须可回滚。coordinator接收完确认(ACK)后进入阶段3、进行commit/abort，3PC的阶段3与2PC的阶段2无异。协调者备份(coordinator watchdog)、状态记录(logging)同样应用在3PC。

participant如果在不同阶段宕机，我们来看看3PC如何应对：

阶段1: coordinator或watchdog未收到宕机participant的vote，直接中止事务；宕机的participant恢复后，读取logging发现未发出赞成vote，自行中止该次事务

阶段2: coordinator未收到宕机participant的precommit ACK，但因为之前已经收到了宕机participant的赞成反馈(不然也不会进入到阶段2)，coordinator进行commit；watchdog可以通过问询其他participant获得这些信息，过程同理；宕机的participant恢复后发现收到precommit或已经发出赞成vote，则自行commit该次事务

阶段3: 即便coordinator或watchdog未收到宕机participant的commit ACK，也结束该次事务；宕机的participant恢复后发现收到commit或者precommit，也将自行commit该次事务
因为有了准备提交(prepare to
commit)阶段，3PC的事务处理延时也增加了1个RTT，变为3个RTT(propose+precommit+commit)，但是它防止participant宕机后整个系统进入阻塞态，增强了系统的可用性，对一些现实业务场景是非常值得的。

总结一下就是：阶段一leader要求节点准备，节点返回ack或者fail。

如果节点都是ack，leader返回ack进入阶段二。
（如果fail则回滚，因为节点没有接收到ack，所以最终都会回滚）

阶段二时节点执行事务并且发送结果给leader，leader返回ack或者fail。由于阶段二的节点已经有了一个确定的状态ack，如果leader超时或宕机不返回，成功执行节点也会进行commit操作，这样即使有节点宕机也不会影响到其他节点。

一致性算法paxos

Basic Paxos

何为一致性问题？简单而言，一致性问题是在节点宕机、消息无序等场景可能出现的情况下，相互独立的节点之间如何达成决议的问题，作为解决一致性问题的协议，Paxos的核心是节点间如何确定并只确定一个值(value)。

和2PC类似，Paxos先把节点分成两类，发起提议(proposal)的一方为proposer，参与决议的一方为acceptor。假如只有一个proposer发起提议，并且节点不宕机、消息不丢包，那么acceptor做到以下这点就可以确定一个值。

proposer发出提议，acceptor根据提议的id和值来决定是否接收提议，接受提议则替换为自己的提议，并且返回之前id最大的提议，当超过一半节点提议该值时，则该值被确定，这样既保证了时序，也保证了多数派。

Multi Paxos

通过以上步骤分布式系统已经能确定一个值，“只确定一个值有什么用？这可解决不了我面临的问题。” 你心中可能有这样的疑问。

其实不断地进行“确定一个值”的过程、再为每个过程编上序号，就能得到具有全序关系(total order)的系列值，进而能应用在数据库副本存储等很多场景。我们把单次“确定一个值”的过程称为实例(instance)，它由proposer/acceptor/learner组成。

Fast Paxos

在Multi Paxos中，proposer -> leader -> acceptor -> learner，从提议到完成决议共经过3次通信，能不能减少通信步骤？

对Multi Paxos phase2a，如果可以自由提议value，则可以让proposer直接发起提议、leader退出通信过程，变为proposer -> acceptor -> learner，这就是Fast Paxos[2]的由来。

多次paxos的确定值使用可以让多个proposer，acceptor一起运作。多个proposer提出提议，acceptor保留最大提议比返回之前提议，proposer当提议数量满足多数派则取出最大值向acceptor提议，于是过半数的acceptor比较提议后可以接受该提议，于是最终leader将提议写入acceptor，而acceptor再写入对应的learner。

raft和zab

Zab

Zab[5][6]的全称是Zookeeper atomic broadcast protocol，是Zookeeper内部用到的一致性协议。相比Paxos，Zab最大的特点是保证强一致性(strong consistency，或叫线性一致性linearizable consistency)。

和Raft一样，Zab要求唯一Leader参与决议，Zab可以分解成discovery、sync、broadcast三个阶段：

[外链图片转存失败(img-NGmuIEi7-1565108332497)(https://images2015.cnblogs.com/blog/116770/201610/116770-20161025133734734-658183229.jpg)]

discovery: 选举产生PL(prospective leader)，PL收集Follower epoch(cepoch)，根据Follower的反馈PL产生newepoch(每次选举产生新Leader的同时产生新epoch，类似Raft的term)

sync: PL补齐相比Follower多数派缺失的状态、之后各Follower再补齐相比PL缺失的状态，PL和Follower完成状态同步后PL变为正式Leader(established leader)

broadcast: Leader处理Client的写操作，并将状态变更广播至Follower，Follower多数派通过之后Leader发起将状态变更落地(deliver/commit)

Raft：

单个 Candidate 的竞选

有三种节点：Follower、Candidate 和 Leader。Leader 会周期性的发送心跳包给 Follower。每个 Follower 都设置了一个随机的竞选超时时间，一般为 150ms~300ms，如果在这个时间内没有收到 Leader 的心跳包，就会变成 Candidate，进入竞选阶段。

• 下图表示一个分布式系统的最初阶段，此时只有 Follower，没有 Leader。Follower A 等待一个随机的竞选超时时间之后，没收到 Leader 发来的心跳包，因此进入竞选阶段。

[外链图片转存失败(img-WZSpcVzx-1565108332497)(https://github.com/CyC2018/Interview-Notebook/raw/master/pics/111521118015898.gif)]

• 此时 A 发送投票请求给其它所有节点。

[外链图片转存失败(img-vfOo5ycb-1565108332498)(https://github.com/CyC2018/Interview-Notebook/raw/master/pics/111521118445538.gif)]

• 其它节点会对请求进行回复，如果超过一半的节点回复了，那么该 Candidate 就会变成 Leader。

[外链图片转存失败(img-xpjQk551-1565108332498)(https://github.com/CyC2018/Interview-Notebook/raw/master/pics/111521118483039.gif)]

• 之后 Leader 会周期性地发送心跳包给 Follower，Follower 接收到心跳包，会重新开始计时。

[外链图片转存失败(img-Gps4mrHb-1565108332499)(https://github.com/CyC2018/Interview-Notebook/raw/master/pics/111521118640738.gif)]

多个 Candidate 竞选

• 如果有多个 Follower 成为 Candidate，并且所获得票数相同，那么就需要重新开始投票，例如下图中 Candidate B 和 Candidate D 都获得两票，因此需要重新开始投票。

[外链图片转存失败(img-K8gqUxWR-1565108332500)(https://github.com/CyC2018/Interview-Notebook/raw/master/pics/111521119203347.gif)]

• 当重新开始投票时，由于每个节点设置的随机竞选超时时间不同，因此能下一次再次出现多个 Candidate 并获得同样票数的概率很低。

[外链图片转存失败(img-VDSYSg3w-1565108332501)(https://github.com/CyC2018/Interview-Notebook/raw/master/pics/111521119368714.gif)]

日志复制

• 来自客户端的修改都会被传入 Leader。注意该修改还未被提交，只是写入日志中。

[外链图片转存失败(img-JLtIsxVa-1565108332501)(https://github.com/CyC2018/Interview-Notebook/raw/master/pics/7.gif)]

• Leader 会把修改复制到所有 Follower。

[外链图片转存失败(img-1lGaEsEA-1565108332501)(https://github.com/CyC2018/Interview-Notebook/raw/master/pics/9.gif)]

• Leader 会等待大多数的 Follower 也进行了修改，然后才将修改提交。

[外链图片转存失败(img-vCpD06JE-1565108332502)(https://github.com/CyC2018/Interview-Notebook/raw/master/pics/10.gif)]

• 此时 Leader 会通知的所有 Follower 让它们也提交修改，此时所有节点的值达成一致。

[外链图片转存失败(img-4SxE5Fps-1565108332502)(https://github.com/CyC2018/Interview-Notebook/raw/master/pics/11.gif)]

zookeeper

zookeeper在分布式系统中作为协调员的角色，可应用于Leader选举、分布式锁、配置管理等服务的实现。以下我们从zookeeper供的API、应用场景和监控三方面学习和了解zookeeper（以下简称ZK）。

ZK API

ZK以Unix文件系统树结构的形式管理存储的数据，图示如下：

其中每个树节点被称为znode，每个znode类似一个文件，包含文件元信息(meta data)和数据。

以下我们用server表示ZK服务的提供方，client表示ZK服务的使用方，当client连接ZK时，相应创建session会话信息。

有两种类型的znode：

Regular: 该类型znode只能由client端显式创建或删除

Ephemeral: client端可创建或删除该类型znode；当session终止时，ZK亦会删除该类型znode

znode创建时还可以被打上sequential标志，被打上该标志的znode，将自行加上自增的数字后缀

ZK提供了以下API，供client操作znode和znode中存储的数据：

create(path, data, flags)：创建路径为path的znode，在其中存储data[]数据，flags可设置为Regular或Ephemeral，并可选打上sequential标志。

delete(path, version)：删除相应path/version的znode

exists(path,watch)：如果存在path对应znode，则返回true；否则返回false，watch标志可设置监听事件

getData(path, watch)：返回对应znode的数据和元信息（如version等）

setData(path, data, version)：将data[]数据写入对应path/version的znode

getChildren(path, watch)：返回指定znode的子节点集合

K应用场景

基于以上ZK提供的znode和znode数据的操作，可轻松实现Leader选举、分布式锁、配置管理等服务。

Leader选举

利用打上sequential标志的Ephemeral，我们可以实现Leader选举。假设需要从三个client中选取Leader，实现过程如下：

1、各自创建Ephemeral类型的znode，并打上sequential标志：

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 4] ls /master
[lock-0000000241, lock-0000000243, lock-0000000242]

2、检查 /master 路径下的所有znode，如果自己创建的znode序号最小，则认为自己是Leader；否则记录序号比自己次小的znode

3、非Leader在次小序号znode上设置监听事件，并重复执行以上步骤2

配置管理

znode可以存储数据，基于这一点，我们可以用ZK实现分布式系统的配置管理，假设有服务A，A扩容设备时需要将相应新增的ip/port同步到全网服务器的A.conf配置，实现过程如下：

1、A扩容时，相应在ZK上新增znode，该znode数据形式如下：

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 30] get /A/blk-0000340369
{“svr_info”: [{“ip”: “1.1.1.1.”, “port”: “11000”}]}
cZxid = 0x2ffdeda3be
……

2、全网机器监听 /A，当该znode下有新节点加入时，调用相应处理函数，将服务A的新增ip/port加入A.conf

3、完成步骤2后，继续设置对 /A监听

ZK监控

ZK自身提供了一些“四字命令”，通过这些四字命令，我们可以获得ZK集群中，某台ZK的角色、znode数、健康状态等信息：

小结

zookeeper以目录树的形式管理数据，提供znode监听、数据设置等接口，基于这些接口，我们可以实现Leader选举、配置管理、命名服务等功能。结合四字命令，加上模拟zookeeper client 创建/删除znode，我们可以实现对zookeeper的有效监控。在各种分布式系统中，我们经常可以看到zookeeper的身影。

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