Viewstamps算法
Viewstamps算法
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1. 前言
Viewstamps算法是Oki和Liskov于1988年发表的论文，Liskov是一位计算机世界中杰出的女性，08年图灵奖得主、著名面向 对象五原则中“Liskov可替换原则”的提出者。我们已无精力考证Viewstamps是否是第一个多数派表决的算法，但知道其比 Paxos（1998）整整早了10年，杯具的是，随着06年google chubby论文发表，Paxos迅速闻名于世，而Viewstamps依旧寂寂无闻。
2. 问题的由来
在分布式系统中一般通过复制来提高系统的可用性，而复制又引入了一致性的问题，比如我们把数据复制到A、B、C三个节点，如何保证A、B、C看到的复制数据的顺序是一致的？从深层次上来讲，复制节点就是一个状态机，我们有必要时刻保证各状态机状态的一致。
为了保证复制数据的一致性，Viewstamps采用了Primary-backup模式（类Master-slave），规定所有数据操作，无论 是查询还是更新都必须通过primary进行，然后传递到各backup（显然primay-backup与数据库的master-slave还是不同 的，数据库的master-slave强调的是“单写多读”），这样，数据的一致性就得到了保证，但primary会成为单点，如果primary crash那进行一半的事务该如何处理？这正是viewstamps算法要解决的问题，所以viewstamps也经常被描述为master的选举算法。
3. 概念
- Primary Service被复制（部署）多份，每份复制称为backup，primary与众多的backup组成一个group，提供与一个primary相同的逻辑功能。
- group里的每个成员又被称为cohort，cohort可以是primary也可以是backup。
- group里的全部cohor又称为configuration，group更多是描述性的称呼，而configuration是指要在配置文件中把这个关系固定下来，是配置性的称呼。
- configuration中超过1/2的成员又称为多数派(majority)，viewstamps允许2N+1个节点中的N个节点同时失败。
- 在某一时刻，系统的状态是有一个primary与几个backup提供服务（未必是所有的backup），这种状态称为view
- 在某个primary或backup crash后，这个view就会被打破，从而形成新的view，这个过程叫view change，而viewstamps又自称为view change算法。
另外补充几个次重要概念：
- 每个group都有一个groupid，是配置好的，不能更改
- 每个view都有一个viewid，动态生成
- 每个cohort都有一个唯一的id
- 每个primary都有一个queue用来保证数据一致性，queue中的数据按照timestamp的顺序（先后顺序）保持数据
- primary每次与backup通信称为event
- 每个event必定发生在某个view中，event又是根据timestamps的顺序传递数据，因此算法叫viewstamps
- 事务：viewstamps 中的事务实现方式都是二段提交，即prepare和commit两个阶段
存在众多繁杂且表述不一的概念，也是viewstamps算法的一大特色，翻来覆去就那么几样东西，大家习惯即可。
4. 调用过程
客户端C发送数据到primary，primary传播到backups，其图如下（其中(a=primary,b,c,d,e)构成一个group，a是primary）：
很显然，在a与b,c,d,e通信时，也称为发送event时，需要分布式事务，即等待b,c,d,e返回。如果parimary a crash，则会选举一个新的primary，如下图：
primary并不是接收到event后立即同步到backup，而是在事务的prepare阶段集中处理。前面也提到过，event肯定是属于某 个view，event是按timestamps的顺序发送，这样所有的event就会形成一个viewstamps的顺序。比如我们每个view的编号 即viewid都是全序的，即每次都会单调递增，每个event的顺序也是全序，这样每次primary接收到一个数据，都可转变为一个带全序的 event，可记录为<v1.1>,<v1.2>,<v2.1>,<v2.2>... 因为一个事务可以提交多个数据最后一起提交，而服务端的view会随着cohort的crash而动态调整，因此客户端在与primary通信时都 需要指定哪个事务与primary的哪个view通信，而primary回复client生成的每个event的viewstamps，如下图：
客户端和primary都记录这些数据，以准备后续的事务提交。当客户端准备提交时，在primary接收到prepare命令时，会把其上的 viewstamp记录同步到backups上，因为viewstamp全序，就保证了这些事件会以相同的顺序在backups上执行，从而得到一个一致 的状态。为了保证这一点，单靠event状态一致是不够的，还必须要求backup不能跳号执行event，比如primary要求执 行<v2.3>，但backup发现<v2.2>尚未执行，则必须等<v2.2>执行完毕后才能执 行<v2.3>。
为什么会有<v2.2>尚未执行就有<v2.3>要求的情况呢？有两个原因：一是网络波动，信息传输有时差，但这在局域网中很少发生；二是backup可能会crash后苏醒，这个情况比较常见。
Primary在向backups复制数据时并不要求所有的backups都成功，而只是要求包含自己在内的一个多数派成功即可（在viewstamps算法中，称这样的多数派为sub-majority）。这点非常重要，详细说明如下：
假如在现在时刻viewstamps系统正常运行，其所有cohort成员是confirutaion的一个多数派，记为C；
系统在多次viewchange后仍能保持一个多数派，记为X
因为C、X都为多数派，因此C、X至少存在一个公共cohort，记为O，则cohort O知道系统在C中正常运行时的所有viewstamps，新的view可以根据O还原出viewchange前的所有工作状态，从而能为是否提交事务作出 决策。如果不能保证存在多数派，则无法保证viewstamps算法的正确性，也就是说在2N+1个节点中，最多允许N个节点失败。
5. 节点失败
cohort失败的情况比较多，但假定数据可以丢失、复制、乱序，但不能出现拜占庭问题，即不能篡改消息；另假设所有的失败都是fail-stop，即失败停止，不会在失败状态继续服务。虽然假设感觉比较多，但这些假设一般的通信环境都能满足。
节点会有下面几种失败状态：
- 失败导致service无法访问
- 失败后又苏醒，丢失之前的状态
- 网络失败导致分区，比如导致cohort被分成两组，组之内的cohort可以相互访问，组之间的不能，典型的发生场景是交换机发生问题。
前两种错误会导致view change；后一种失败因为采用强制多数派的机制，保证了虽然有一个少数派的网络存在，但因为无法形成多数派而无法工作，就杜绝了存在两个viewstamps group同时工作带来的风险。
一般我们会在cohort之间保持心跳检测，一旦某个cohort在指定的时间没有收到其他cohort的心跳则认为crash，从而发起view change。从理论上来说，通过心跳来检测对方server是否crash是不可靠的，主要是单凭心跳时间，无法区分crash和busy，这个值的设 定跟应用所处的网络环境有很大关系。当然也可引入其他更复杂的crash检测机制，就不在这里作深入讨论。
6. View change
如上所述，当某个cohort通过心跳发现对方已经crash时，就发起view change，可能会有多个cohort同时发起view change，所以必须保证只能建立一个新的view，基本方法如下：（假如A、B、C同时发现D失败）
1. A构造一个新的viewid，这个view id要比A所见到的所有的view id都大，并且不同的cohort生的view id一定不能相同，这点与paxos的proposal id非常像
2. A发送一个invitation到其他活着的cohort，比如X
3. X发现A发送的view id，比自己所见到的所有view id都大，于是接收邀请并回复给A；否则，X拒绝A，不做任何回应。
4. A在接收到多数派的回应后，认为新的view已经形成，初始化新的primary；否则，无法形成新的view，一段时间后改变view id重复上述过程
在4中只是说，接收到多数派的回应，就认为新的view已经形成，要达到这个目标必须满足两个充分条件：
- 存在一个多数派cohort接收了inviitation
- 并且这个多数派中至少存在一个cohort知道之前所有的viewstamp
第一个条件比较容易验证，因为在Viewstamps算法中假定viewstamps的记录没有持久化，所以第二个条件不总是成立，比如：
- 有A(primary)、B、C三个节点，A提交事务
- event同步到B但还未到C，A crash
- A又迅速从crash状态recovery
- B与A、C发生了网络分区
此时的现状是：A、C可以连通，但都没有viewstamps记录，所以无法形成新view；B有viewstamps记录，但无法与A、C互通，所以也无法形成新View。因此能否形成新view需要下面三个加强条件：
- a majority of cohorts accepted normally, or
- crash-viewid < normal-viewid, or
- crash-viewid = normal-viewid and the primary of view normal-viewid has done a normal acceptance of the invitation.
在形成新view后，还要继续：
5. A寻找新的primary，并把各cohort回应的viewstamp发送给primary初始化其状态，如果老的primary没有crash，可以继续指定为primary；否则随机指定cohort作为primary
6. 新Primary把在初始化时，把所有正确的viewstamp发送到所有的cohort，使所有的cohort状态一致。
整个过程大概如此。
7. 并发执行
在6中的过程可能有多个cohort同时执行，比如A、B同时进行view change，所以该问题本质上还是一个选举的问题，只是对于paxos来说，是多个proposer同时proposal选择最终决议，而现在是选择新的view。
在paxos算法中使用了2个phase解决选举的唯一性问题，而上述viewstamps的过程本质上就是paxos的phase 1，但仅凭phase1是无法达成最终决议，viewstamps 算法可能并没有意识到这一点，只是认为编号高的view会被最终选择，并提出了一些避免view change并发执行的方案。由此也可看出，paxos 算法理论上比viewstamps 更完善，也有更清晰的2 phase的划分。
还有一个关键问题是view在算法过程中起了什么作用，如果没有view change而仅使用一个view是否可以？在原论文中作者提到了用view的原因：
Over time the communication capability within a group may change as cohorts or communication links fail and recover. To reflect this changing situation, each cohort runs in a view.
就是说，因为节点、网络都会失败、恢复，为了反映这一情况每个节点需要运行在一个view中。
从实际应用情况来看，view反映的是节点某个时刻的运行快照，在每次新primary被选出时，需要使用正常的节点初始化其状态，但不需要所有正常节点的数据，只需要其最后一个view的viewstamps即可，如果仅采用一个view，就会每次把所有的数据都发送的新primary。
还有一种情况是网络失败，比如A、B、C三个节点，在发生网络分区，C与A、B隔离，经过一段时间网络分区修复，A、B、C又重新联通，但C上的数 据已经与A、B不一致，当再进行primary选举时就无法判断C上的数据是否可用。如果引入一个view，当C网络分区时，A、B会有新的 viewid，而分区修复时，根据viewid能明确区分出C上的数据不是最新数据。所以，引入view就是为节点引入了一个判断数据是否是最新的标志。
这也就证明了，在primary-backup模式中，当发生primary切换的时候，如果没有一定的分布式算法，仅靠backup上的数据是无 法保证新的primary能正确同步之前的状态，也就是说任何想仅通过backup去保证primary数据正确性的做法都是徒劳。
8. 优化
并不是每次cohort失败都需要导致view change，如果primary没有失败，而仅backup失败，且失败后的cohort仍能构成多数派，则无需view change。但primary失败则需要view change。view change的过程与primary是无关的，primary的指定也是随机的，那为什么primary失败缺要导致view change？其实primary切换需要2步工作：
- 准备primary切换后的数据，为cohort形成一个新的view
- 选择一个cohort作为primary
重要的是第一步工作，只要第一步完成了，选择哪个cohort作为primary都不是问题。所以，表面上primary与view change无关，其实view change的过程就是特为primary而准备。这样是viewstamps成为选举算法的原因。
9. 结论
Viewstams 并没有从理论上完整解决选举问题，但却为leader选举及选举后的leader状态同步提出了完整的方案。
相比而言，paxos理论上更完善，2 phase的表述也更清晰，但很显然的是viewstamps不完全等同与paxos，而只是做了paxos的phase 1。
Google chubby的人曾说，所有的分布式算法都是paxos的一个特例，信矣！