大数据起步之Paxos算法

超、凢脫俗 2022-04-16 04:11 207阅读 0赞

**Paxos算法**是[莱斯利·兰伯特][Link 1]（英语：Leslie Lamport，[LaTeX][]中的“La”）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

1.  ## 问题和假设 ##
    
    1.  分布式系统中的节点通信存在两种模型：[共享内存][Link 2]（Shared memory）和[消息传递][Link 3]（Messages passing）。基于消息传递通信模型的分布式系统，不可避免的会发生以下错误：进程可能会慢、被杀死或者重启，消息可能会延迟、丢失、重复，在基础 Paxos 场景中，先不考虑可能出现消息篡改即[拜占庭错误][Link 4]的情况。Paxos 算法解决的问题是在一个可能发生上述异常的[分布式系统][Link 5]中如何就某个值达成一致，保证不论发生以上任何异常，都不会破坏决议的一致性。一个典型的场景是，在一个分布式数据库系统中，如果各节点的初始状态一致，每个节点都执行相同的操作序列，那么他们最后能得到一个一致的状态。为保证每个节点执行相同的命令序列，需要在每一条指令上执行一个“一致性算法”以保证每个节点看到的指令一致。一个通用的一致性算法可以应用在许多场景中，是分布式计算中的重要问题。因此从20世纪80年代起对于一致性算法的研究就没有停止过。
    2.  为描述 Paxos 算法，Lamport 虚拟了一个叫做 Paxos 的[希腊城邦][Link 6]，这个岛按照议会民主制的政治模式制订法律，但是没有人愿意将自己的全部时间和精力放在这种事情上。所以无论是议员，议长或者传递纸条的服务员都不能承诺别人需要时一定会出现，也无法承诺批准决议或者传递消息的时间。但是这里假设没有[拜占庭将军问题][Link 4]（Byzantine failure，即虽然有可能一个消息被传递了两次，但是绝对不会出现错误的消息）；只要等待足够的时间，消息就会被传到。另外，Paxos 岛上的议员是不会反对其他议员提出的决议的。
    3.  对应于分布式系统，议员对应于各个节点，制定的法律对应于系统的状态。各个节点需要进入一个一致的状态，例如在独立 [Cache][] 的[对称多处理器][Link 7]系统中，各个处理器读内存的某个字节时，必须读到同样的一个值，否则系统就违背了一致性的要求。一致性要求对应于法律条文只能有一个版本。议员和服务员的不确定性对应于节点和消息传递通道的不可靠性。
2.  ## 算法 ##
    
    1.  ### 算法的提出与证明 ###
        
        首先将议员的角色分为 proposers，acceptors，和 learners（允许身兼数职）。proposers 提出提案，提案信息包括提案编号和提议的 value；acceptor 收到提案后可以接受（accept）提案，若提案获得多数 acceptors 的接受，则称该提案被批准（chosen）；learners 只能“学习”被批准的提案。划分角色后，就可以更精确的定义问题：决议（value）只有在被 proposers 提出后才能被批准（未经批准的决议称为“提案（proposal）”）；在一次 Paxos 算法的执行实例中，只批准（chosen）一个 value；learners 只能获得被批准（chosen）的 value。另外还需要保证 progress。这一点以后再讨论。

作者通过不断加强上述3个约束（主要是第二个）获得了 Paxos 算法。

批准 value 的过程中，首先 proposers 将 value 发送给 acceptors，之后 acceptors 对 value 进行接受（accept）。为了满足只批准一个 value 的约束，要求经“多数派（majority）”接受的 value 成为正式的决议（称为“批准”决议）。这是因为无论是按照人数还是按照权重划分，两组“多数派”至少有一个公共的 acceptor，如果每个 acceptor 只能接受一个 value，约束2就能保证。

于是产生了一个显而易见的新约束：

P1：一个 acceptor 必须接受（accept）第一次收到的提案。

注意 P1 是不完备的。如果恰好一半 acceptor 接受的提案具有 value A，另一半接受的提案具有 value B，那么就无法形成多数派，无法批准任何一个 value。

约束2并不要求只批准一个提案，暗示可能存在多个提案。只要提案的 value 是一样的，批准多个提案不违背约束2。于是可以产生约束 P2：

P2：一旦一个具有 value v 的提案被批准（chosen），那么之后批准（chosen）的提案必须具有 value v。

注：通过某种方法可以为每个提案分配一个编号，在提案之间建立一个全序关系，所谓“之后”都是指所有编号更大的提案。

如果 P1 和 P2 都能够保证，那么约束2就能够保证。

批准一个 value 意味着多个 acceptor 接受（accept）了该 value。因此，可以对 P2 进行加强：

P2a：一旦一个具有 value v 的提案被批准（chosen），那么之后任何 acceptor 再次接受（accept）的提案必须具有 value v。

由于通信是异步的，P2a 和 P1 会发生冲突。如果一个 value 被批准后，一个 proposer 和一个 acceptor 从休眠中苏醒，前者提出一个具有新的 value 的提案。根据 P1，后者应当接受，根据 P2a，则不应当接受，这中场景下 P2a 和 P1 有矛盾。于是需要换个思路，转而对 proposer 的行为进行约束：

P2b：一旦一个具有 value v 的提案被批准（chosen），那么以后任何 proposer 提出的提案必须具有 value v。

由于 acceptor 能接受的提案都必须由 proposer 提出，所以 P2b 蕴涵了 P2a，是一个更强的约束。

但是根据 P2b 难以提出实现手段。因此需要进一步加强 P2b。

假设一个编号为 m 的 value v 已经获得批准（chosen），来看看在什么情况下对任何编号为 n（n>m）的提案都含有 value v。因为 m 已经获得批准（chosen），显然存在一个 acceptors 的多数派 C，他们都接受（accept）了v。考虑到任何多数派都和 C 具有至少一个公共成员，可以找到一个蕴涵 P2b 的约束 P2c：

P2c：如果一个编号为 n 的提案具有 value v，那么存在一个多数派，要么他们中所有人都没有接受（accept）编号小于 n  
的任何提案，要么他们已经接受（accept）的所有编号小于 n 的提案中编号最大的那个提案具有 value v。

可以用[数学归纳法][Link 8]证明 P2c 蕴涵 P2b：

假设具有value v的提案m获得批准，当n=m+1时，采用反证法，假如提案n不具有value v，而是具有value w，根据P2c，则存在一个多数派S1，要么他们中没有人接受过编号小于n的任何提案，要么他们已经接受的所有编号小于n的提案中编号最大的那个提案是value w。由于S1和通过提案m时的多数派C之间至少有一个公共的acceptor，所以以上两个条件都不成立，导出矛盾从而推翻假设，证明了提案n必须具有value v；

若（m+1）..（N-1）所有提案都具有value v，采用反证法，假如新提案N不具有value v，而是具有value w',根据P2c，则存在一个多数派S2，要么他们没有接受过m..（N-1）中的任何提案，要么他们已经接受的所有编号小于N的提案中编号最大的那个提案是value w'。由于S2和通过m的多数派C之间至少有一个公共的acceptor，所以至少有一个acceptor曾经接受了m，从而也可以推出S2中已接受的所有编号小于n的提案中编号最大的那个提案的编号范围在m..（N-1）之间，而根据初始假设，m..（N-1）之间的所有提案都具有value v，所以S2中已接受的所有编号小于n的提案中编号最大的那个提案肯定具有value v，导出矛盾从而推翻新提案n不具有value v的假设。根据数学归纳法，我们证明了若满足P2c，则P2b一定满足。

P2c是可以通过消息传递模型实现的。另外，引入了P2c后，也解决了前文提到的P1不完备的问题。

### 2.算法的内容 ###

要满足P2c的约束，proposer提出一个提案前，首先要和足以形成多数派的acceptors进行通信，获得他们进行的最近一次接受（accept）的提案（prepare过程），之后根据回收的信息决定这次提案的value，形成提案开始投票。当获得多数acceptors接受（accept）后，提案获得批准（chosen），由proposer将这个消息告知learner。这个简略的过程经过进一步细化后就形成了Paxos算法。

在一个paxos实例中，每个提案需要有不同的编号，且编号间要存在全序关系。可以用多种方法实现这一点，例如将序数和proposer的名字拼接起来。如何做到这一点不在Paxos算法讨论的范围之内。

如果一个没有chosen过任何proposer提案的acceptor在prepare过程中回答了一个proposer针对提案n的问题，但是在开始对n进行投票前，又接受（accept）了编号小于n的另一个提案（例如n-1），如果n-1和n具有不同的value，这个投票就会违背P2c。因此在prepare过程中，acceptor进行的回答同时也应包含承诺：不会再接受（accept）编号小于n的提案。这是对P1的加强：

P1a：当且仅当acceptor没有回应过编号大于n的prepare请求时，acceptor接受（accept）编号为n的提案。

现在已经可以提出完整的算法了。

决议的提出与批准

通过一个决议分为两个阶段：

prepare阶段：proposer选择一个提案编号n并将prepare请求发送给acceptors中的一个多数派；acceptor收到prepare消息后，如果提案的编号大于它已经回复的所有prepare消息(回复消息表示接受accept)，则acceptor将自己上次接受的提案回复给proposer，并承诺不再回复小于n的提案；

批准阶段：当一个proposer收到了多数acceptors对prepare的回复后，就进入批准阶段。它要向回复prepare请求的acceptors发送accept请求，包括编号n和根据P2c决定的value（如果根据P2c没有已经接受的value，那么它可以自由决定value）。

在不违背自己向其他proposer的承诺的前提下，acceptor收到accept请求后即批准这个请求。

这个过程在任何时候中断都可以保证正确性。例如如果一个proposer发现已经有其他proposers提出了编号更高的提案，则有必要中断这个过程。因此为了优化，在上述prepare过程中，如果一个acceptor发现存在一个更高编号的提案，则需要通知proposer，提醒其中断这次提案。

实例

用实际的例子来更清晰地描述上述过程：

有A1, A2, A3, A4, A5 5位议员，就税率问题进行决议。议员A1决定将税率定为10%,因此它向所有人发出一个草案。这个草案的内容是：

现有的税率是什么?如果没有决定，则建议将其定为10%.时间：本届议会第3年3月15日;提案者：A1

在最简单的情况下，没有人与其竞争;信息能及时顺利地传达到其它议员处。

于是, A2-A5回应：

我已收到你的提案，等待最终批准

而A1在收到2份回复后就发布最终决议：

税率已定为10%,新的提案不得再讨论本问题。

这实际上退化为[二阶段提交][Link 9]协议。

现在我们假设在A1提出提案的同时, A5决定将税率定为20%:

现有的税率是什么?如果没有决定，则建议将其定为20%.时间：本届议会第3年3月15日;提案者：A5

草案要通过侍从送到其它议员的案头. A1的草案将由4位侍从送到A2-A5那里。现在，负责A2和A3的侍从将草案顺利送达，负责A4和A5的侍从则不上班. A5的草案则顺利的送至A4和A3手中。

现在, A1, A2, A3收到了A1的提案; A4, A3, A5收到了A5的提案。按照协议, A1, A2, A4, A5将接受他们收到的提案，侍从将拿着

我已收到你的提案，等待最终批准

的回复回到提案者那里。

而A3的行为将决定批准哪一个。

情况一\[[编辑][Link 10]\]

假设A1的提案先送到A3处，而A5的侍从决定放假一段时间。于是A3接受并派出了侍从. A1等到了两位侍从，加上它自己已经构成一个多数派，于是税率10%将成为决议. A1派出侍从将决议送到所有议员处：

税率已定为10%,新的提案不得再讨论本问题。

A3在很久以后收到了来自A5的提案。由于税率问题已经讨论完毕，他决定不再理会。但是他要抱怨一句：

税率已在之前的投票中定为10%,你不要再来烦我!

这个回复对A5可能有帮助，因为A5可能因为某种原因很久无法与与外界联系了。当然更可能对A5没有任何作用，因为A5可能已经从A1处获得了刚才的决议。

情况二\[[编辑][Link 11]\]

依然假设A1的提案先送到A3处，但是这次A5的侍从不是放假了，只是中途耽搁了一会。这次, A3依然会将"接受"回复给A1.但是在决议成型之前它又收到了A5的提案。这时协议有两种处理方式：

1.如果A5的提案更早，按照传统应该由较早的提案者主持投票。现在看来两份提案的时间一样（本届议会第3年3月15日）。但是A5是个惹不起的大人物。于是A3回复：

我已收到您的提案，等待最终批准，但是您之前有人提出将税率定为10%,请明察。

于是, A1和A5都收到了足够的回复。这时关于税率问题就有两个提案在同时进行。但是A5知道之前有人提出税率为10%.于是A1和A5都会向全体议员广播：

税率已定为10%,新的提案不得再讨论本问题。

一致性得到了保证。

2. A5是个无足轻重的小人物。这时A3不再理会他, A1不久后就会广播税率定为10%.

情况三\[[编辑][Link 12]\]

在这个情况中，我们将看见，根据提案的时间及提案者的权势决定是否应答是有意义的。在这里，时间和提案者的权势就构成了给提案编号的依据。这样的编号符合"任何两个提案之间构成偏序"的要求。

A1和A5同样提出上述提案，这时A1可以正常联系A2和A3; A5也可以正常联系这两个人。这次A2先收到A1的提案; A3则先收到A5的提案. A5更有权势。

在这种情况下，已经回答A1的A2发现有比A1更有权势的A5提出了税率20%的新提案，于是回复A5说：

我已收到您的提案，等待最终批准。

而回复了A5的A3发现新的提案者A1是个小人物，不予理会。

A1没有达到多数，A5达到了，于是A5将主持投票，决议的内容是A5提出的税率20%.

如果A3决定平等地对待每一位议员，对A1做出"你之前有人提出将税率定为20%"的回复，则将造成混乱。这种情况下A1和A5都将试图主持投票，但是这次两份提案的内容不同。

这种情况下, A3若对A1进行回复，只能说：

有更大的人物关注此事，请等待他做出决定。

另外，在这种情况下, A4与外界失去了联系。等到他恢复联系，并需要得知税率情况时，他（在最简单的协议中）将提出一个提案：

现有的税率是什么?如果没有决定，则建议将其定为15%.时间：本届议会第3年4月1日;提案者：A4

这时，（在最简单的协议中）其他议员将会回复：

税率已在之前的投票中定为20%,你不要再来烦我!

决议的发布

一个显而易见的方法是当acceptors批准一个value时，将这个消息发送给所有learner。但是这个方法会导致消息量过大。

由于假设没有Byzantine failures，learners可以通过别的learners获取已经通过的决议。因此acceptors只需将批准的消息发送给指定的某一个learner，其他learners向它询问已经通过的决议。这个方法降低了消息量，但是指定learner失效将引起系统失效。

因此acceptors需要将accept消息发送给learners的一个子集，然后由这些learners去通知所有learners。

但是由于消息传递的不确定性，可能会没有任何learner获得了决议批准的消息。当learners需要了解决议通过情况时，可以让一个proposer重新进行一次提案。注意一个learner可能兼任proposer。

Progress的保证

根据上述过程当一个proposer发现存在编号更大的提案时将终止提案。这意味着提出一个编号更大的提案会终止之前的提案过程。如果两个proposer在这种情况下都转而提出一个编号更大的提案，就可能陷入活锁，违背了Progress的要求。这种情况下的解决方案是选举出一个leader，仅允许leader提出提案。但是由于消息传递的不确定性，可能有多个proposer自认为自己已经成为leader。Lamport在[The Part-Time Parliament][]一文中描述并解决了这个问题

[Link 1]: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%8E%B1%E6%96%AF%E5%88%A9%C2%B7%E5%85%B0%E4%BC%AF%E7%89%B9
[LaTeX]: https://zh.wikipedia.org/wiki/LaTeX
[Link 2]: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%B1%E4%BA%AB%E5%86%85%E5%AD%98
[Link 3]: https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E6%B6%88%E6%81%AF%E4%BC%A0%E9%80%92&action=edit&redlink=1
[Link 4]: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%8B%9C%E5%8D%A0%E5%BA%AD%E5%B0%86%E5%86%9B%E9%97%AE%E9%A2%98
[Link 5]: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%88%86%E5%B8%83%E5%BC%8F%E8%AE%A1%E7%AE%97
[Link 6]: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B8%8C%E8%87%98%E5%9F%8E%E9%82%A6
[Cache]: https://zh.wikipedia.org/wiki/Cache
[Link 7]: https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E5%AF%B9%E7%A7%B0%E5%A4%9A%E5%A4%84%E7%90%86%E5%99%A8&action=edit&redlink=1
[Link 8]: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%95%B0%E5%AD%A6%E5%BD%92%E7%BA%B3%E6%B3%95
[Link 9]: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%8C%E9%98%B6%E6%AE%B5%E6%8F%90%E4%BA%A4
[Link 10]: https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=Paxos%E7%AE%97%E6%B3%95&action=edit&section=7
[Link 11]: https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=Paxos%E7%AE%97%E6%B3%95&action=edit&section=8
[Link 12]: https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=Paxos%E7%AE%97%E6%B3%95&action=edit&section=9
[The Part-Time Parliament]: http://research.microsoft.com/users/lamport/pubs/lamport-paxos.pdf