分布式一致性算法

前言

依据CAP理论，分布式系统中可用性、一致性、分区容错三者不可兼得，工程上一般会对一致性作出妥协，而一致性算法所为者：保证可用性、分区容错前提下通过算法上精妙设计将妥协区间缩小，使其尽量向真正一致性靠近。ps: 这篇只是个人理解，可能存在错误，望指出感谢

具体算法

1. paxos（协议详细说明）
   paxos是一致性算法的鼻祖，它采用议会制度，可由多个提案人提出议案，投票人通过信使（通信协议）对提案进行投票，最终只有一个议案获得大多数同意，确定为法令（达成共识确定一个值），为保证法令（值）在全范围一致，提出了三点安全限制：
   a) 只有已提出的议案（值）才有可能被选定为法令
   b) 只有一个议案（值）能被最终选定为法令
   c) 追随者（未参与确定过程的集群节点）无从得知这个议案，直到它被选定为法令
   paxos核心功能是确定一个值，其中关键点是：
   a) 投票人必须通过第一个接收到的议案
   b) 议案由议案编号、业务值构成，议案编号全局唯一且按时序原子递增
   c) 如果一个具有业务值v的议案被选定，所有编号高于它的新议案其业务值也必须为v
   详情见段首链接，其中有一个很好例子，在此贴出：
   
   多提议交叉
   
   另外，paxos相关论文中也为分布式系统数据一致性实现提供了一些很好思路：
   • 基于heartbeat通信进行内容扩充
   • 多角色设定：提案人(Proposer)、投票人(Acceptor)、追随者（Learner）
   • 采用预审、定案两阶段提交方式，议案包括{议案编号，业务值}
   • 预审采用一定规则进行投票，多数同意(n/2+1)则通过，进入定案阶段
   • 采用状态机机制，通过复制日志在本地运行来推进状态更新达到数据一致

2. zab(详情说明)
   zab是zookeeper采用的一致性算法，它是paxos变体，通过加强约束来降低工程实现难度：
   a) 集群同一时刻只存在一个提案人（leader）
   b) 保有最新议案（议案编号最大，无论是否已定案）的候选人才可能成为提案人
   c) 提案人确定新议案之前必须保证节点之前已有议案都已完成定案（同步至大多数节点）
   算法其他一些设定：
   • 角色：leader（提案人，提供读写功能，负责写入数据，复制日志条目至追随者），follower(追随者，具备投票职能，提供只读功能，基于日志条目实现数据一致)
   • 议案编号：zxid——全局范围议案唯一标识，为64位数字，高序32位记录leader任期；低序32位为当前任期内议案计数器，从0开始进行递增；
   • 最终成为leader的候选人必定具有最新数据，新议案的zxid：leader任期数值加一，议案计数器复位为0重新计数

3. raft(详细说明)
   因paxos协议较难理解，以易理解、易工程化为目标的raft协议诞生了。raft采用分而治之策略将一致性问题拆分为三个子问题：领导人选举、日志复制、安全性保证，个人感觉同zab有很多相似之处，一些设定说明：

   • 角色：leader(领导者，提供读写功能，复制日志条目至其他节点)、follower(追随者，提供只读功能)、candidate(候选人，选举期间临时角色)；
     角色转换
   • 任期(term)：每个节点都存储当前任期号，随着每次参与选举递增，任期从参与选举开始，若选举成功则任期直到不再担任leader
   • 投票规则： 1.相同任期只能投票一次 2.候选人任期大于节点则投票，相同比对日志条目下标 3.候选人选举超时时间随机
   • 安全性约束：1、类似zab存在选举限制，候选人需包含所有之前已经提交的日志条目；2、之前任期未提交日志条目，当前任期leader需要完成提交
   • 新leader肯定跟大多数节点的数据一样新（如果前任只复制少部分节点最后日志条目，这个日志可能会被覆盖，除非这少部分节点成为leader）

具体场景

• 选举

  
  
  paxos 选举master
  raft 选举leader

• 集群成员变化

  1. raft
     raft集群成员变化采用分段决策方式进行平滑过渡；节点变化使用日志条目复制给所有节点分两阶段提交，第一阶段：提交包括新、旧节点的配置C old-new，第二阶段：提交只包括新节点的配置C new；在切换过程中集群决策包含节点信息如下：

     
     
     成员平滑变化

  2. paxos
     mysql innerDB clustor 底层采用 paxos变体进行数据一致性保证，新节点引入增加view change日志条目，下图很好解释了工程实现（详情）：
     

     增加节点，追进度
     
     
     完成节点增加