Paxos算法笔记

本文更接近复习笔记，侧重Basic Paxos的整体把握和实现（Go语言）。系统学习建议继续阅读相关论文^[1]和wiki^[2]。

解决的问题

假设server group中有N个server，每个都可以处理client发来的请求，但要求这个group对外表现一致——即在所有client看来都像是只有一个server。因此，任何一个server只有在确定知晓自己的状态与其他（大部分）server相同时才会处理client的请求。一致性算法（consensus algorithm）是server用来在互相之间针对某个问题达成一致所用的方法，Paxos就是其中的一种。

总体认识

Paxos算法可以理解成一群server来针对某个议题（比如变量x的取值）开会讨论，至少有一个server带来了自己的提案，最多也可以每个server都带来了自己的提案。servers会按一定的规则进行投票。会议在大多数的server对议题成一致之后结束。

一些概念

提案（proposal）：server对“议题”的“想法”（比如“x=2”），每个提案还会包含一个唯一的proposal number；
proposer：提出提案的server；
acceptor：接收提案并选择是否接受的server
quorum：acceptors的一个子集，简言之就是其中的大多数；

• proposer和acceptor是Paxos算法中为了结构清晰而抽象出来的概念，一般来说代码实现的时候一个server会同时扮演proposer和acceptor的角色

原则

重要的是让server中的大多数尽快达成一致，最终选谁的提案不重要。

过程

算法的介绍和详细分析已经有很多^[3]，本文直接从伪代码开始进行分析。

-- Paxos Proposer --
# v为该proposer准备提出的值
proposer(v):
    # 选择一个大于当前所有n_p的proposal number
    choose n > n_p
    # 将proposal发送给所有server（包括自己）
    broadcast prepare(n) to all servers
    # 若收到了大多数的prepare_ok回复
    if prepare_ok(n, n_a, v_a) from majority:
        # 选择其中最大的n_a对应的v_a来更新v的值，如果还没有这样的值则选择自己之前准备的v
        # 注意这里处理的目的是：如果存在已被accept（但还未decide）的值，则选择其中最新的作为自己的提案值，从而便于尽快达成一致
        v' = v_a with highest n_a; choose own v otherwise
        # 向所有server发送accept请求
        send accept(n, v') to all
        # 如果收到了大多数的accept_ok回复
        if accept_ok(n) from majority:
            # 对所有server发送decided请求
            send decided(v') to all

-- Paxos Acceptor --
每个acceptor需要维护的状态（需持久存储以应对机器故障）:
    n_p: 最小proposal number，小于该数的proposal直接reject；同时也是当前见过的最高的prepare(n)中的n
    n_a: 已接受的proposal的对应number
    v_a: 已接受的v值

acceptor's prepare(n) handler:
    if n > n_p:
        n_p = n
        reply prepare_ok(n, n_a, v_a)
    else:
        reply prepare_reject

acceptor's accept(n, v) handler:
    if n >= n_p:
        n_p = n
        n_a = n
        v_a = v
        reply accept_ok(n)
    else:
        reply accept_reject

• 实现代码中使用RPC进行不同server间的通讯，比如prepare请求的发送实际上是server1中的prepare()进行对server2中的prepareHandler()的远程调用

func (px *Paxos) prepare(peerIndex int, seq int, proposeNum int) (PrepareReply, error) {
    var reply PrepareReply
    // 准备参数
    ...
    // RPC
    ok := call(px.peers[peerIndex], "Paxos.PrepareHandler", args, &reply)
    // 根据RPC结果进行处理
    if !ok {
        return reply, fmt.Errorf("prepare RPC failed: index: %d, number: %d, seq: %d", peerIndex, proposeNum, seq)
    }
    return reply, nil
}

func (px *Paxos) PrepareHandler(args *PrepareArgs, reply *PrepareReply) error {
    // 根据args（传来的参数）进行处理
    ...
    // 根据处理结果生成结果值并存入reply
    ...
    return nil
}

• 几种情况的流程图（图片来源网络）
  以下图为例，其中左侧的X和Y分别为server S1和S5准备提出的提案中的值（即伪码中的v）；方框中的表示相应Handler操作，比如S2时间线上的P3.1即表示S2的prepareHandler()被远程调用，传入的proposal number是3.1，图中proposal number的构成是number + '.' + 'serverId'的形式，即P3.1是由S1的prepare()调用的；同理，A3.1X表示acceptHandler()被远程调用，同时传入的参数是proposal number 3.1和proposal value X。
  
  例1：S5发起提案时大多数server已接受了同样的值，S5得知后便将自己提案的值改成同样的值

例2：S5发起提案时大多数还未达成一致，但S5看到S3已接受了一个值，也会将自己的提案值改成相同的值以便尽快达成一致

例3：S3在处理P4.5的时候还没有accept S1提出的X，之后再处理A3.1X的时候因为已经见过S5 prepare的更大的proposal number (3.1 < 4.5)，所以会拒绝S1的A3.1X而接受S5的A4.5Y

代码实现

上学期Distributed System课上的一个lab，类似MIT-6.824的这个lab。

源码地址：Github




03/09/18

---

1. Paxos Made Simple - Leslie Lamport ↩

2. Paxos - Wiki ↩

3. 如何浅显易懂地解说 Paxos 的算法？ - GRAYLAMB的回答 - 知乎 ↩