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诸葛亮 VS 庞统,拿下分布式 Paxos

新闻来源:悟空聊架构-公众号  发布时间:2021-01-13   点击数:1
  • 前言

    分布式确实是一个有趣的话题,只要你留心观察,分布式在生活中无处不在。

    悟空哥最开始学习分布式是从一篇非常用心写的技术征文开始的,而且这篇文章获得了征文第一名,在此感谢掘金社区提供的平台。想学习的同学可以点这个文章链接:

    前两讲主要是讲解分布式理论,涉及到了分布式的四大理论。详见如下文章:

    拜占庭将军问题:

    BASE、CAP、ACID:

    从这篇开始,将会讲解分布式的八大协议/算法。本篇主要讲解 Paxos 共识算法。

    本文主要内容如下:

    本文主要内容

    Paxos 算法

    Paxos 是分布式算法中的老大哥,可以说 Paxos 是分布式共识的代名词。最常用的分布式共识算法都是基于它改进。比如 Raft 算法(后面也会介绍)。所以学习分布式算法必须先学习 Paxos 算法。

    Paxos 算法主要包含两个部分:

    • Basic Paxos 算法:多个节点之间如何就某个值达成共识。(这个值我们称作 提案 Value

    • Multi-Paxos 算法:执行多个 Basic Paxos 实例,就一系列值达成共识。

    Basic Paxos 算法是 Multi-Paxos 思想的核心,Multi 的意思就是多次,也就是说多执行几次 Basic Paxos 算法。所以 Basic Paxos 算法是重中之重。

    三国中的 Paxos

    三国中刘备集团,有两大军师:诸葛亮和庞统,都是非常厉害的人物,当他们有不同作战计划给多名武将时,如何达成一致?

    角色

    Paxos 中有三种角色:提议者、接受者、学习者。

    让我们用更通俗的方式来讲解 Paxos 算法。让我们穿越回东汉末年,刘备集团的帐营中一同学习 Paxos 算法是怎么攻打曹操的。

    刘备的帐营中人物介绍:

    • 主公一名刘备,作为请求方或客户端

    • 军师两名诸葛亮庞统,作为提议者

    • 武将三名关羽张飞赵云,作为接受者

    • 文臣两名法正马良,作为学习者

    刘备集团

    提议者(Proposer)

    • 提议一个值,用于投票表决。

    • 接入和协调,收到客户端的请求后,可以发起二阶段提交,进行共识协商。

    • 映射到上面的故事中, 军师就是用来部署作战计划的。

    接受者(Acceptor)

    • 对每个提议的值进行投票,并存储接受的值。

    • 投票协商和存储数据,对提议的值进行投票,并接受达成共识的值,存储保存。

    • 映射到上面的故事中,武将就是用来接受军师的作战计划。

    • 其实,集群中所有的节点都在扮演接受者的角色,参与共识协商,并接受和存储数据。

    学习者(Learner)

    • 被告知投票的结果,接受达成共识的值,存储数据,

    • 不参与投票的过程,即不参与共识协商。

    • 映射到上面的故事中,就是两名文臣作为记录作战方案的备胎

    接受者 or 提议者

    为什么说节点可以扮演接受者,也可以扮演提议者呢?

    上篇我在讲解 BASE 协议的时候,讲到二阶段提交协议。其中有一个协调者的身份,协调者既可以是接受者,也可以是提议者。

    • 作为接受者,接收客户端的消息。比如 诸葛亮需要接收 刘备的作战要求。

    • 作为提议者,发起二阶段提交。然后这个节点和另外其他节点作为接受者进行共识协商。比如 诸葛亮要汇总最终的作战计划给 刘备

    如下图所示,节点 1 作为提议者和接受者,节点 2 和节点 3 作为接受者。

    节点既是提议者也是接受者

    诸葛亮 VS 庞统

    三国中有刘备集团(占据西蜀)、曹操集团(占据北边)、孙权集团(占据江南)。

    诸葛亮庞统作为提议者,向三个接受者进作战计划的提案。提案中有两个属性:

    • 提案编号,每次军师进行提案,都会有个编号,这里用 n 表示。

    • 提议值,也就是作战计划,这里用 v 表示。所以提案就是 [n, v]。

    诸葛亮的作战计划是从北边进攻曹操,庞统的作战计划是从南边进攻曹操,而关羽、张飞、赵云先后收到了他们的作战计划,该听谁的呢?这里就是一个共识的问题。而 Paxos 算法达成共识分两个阶段。准备(Prepare)阶段接受(Accept)阶段

    准备阶段

    诸葛亮和庞统作为提议者,分别向所有的接受者(关羽、张飞、赵云)发送包含作战计划编号(提案编号)的准备请求,但不包含作战计划(提案值)。

    发送准备请求

    • 提议者诸葛亮先发送编号为 1 的作战计划的准备请求,庞统发送编号为 2 的作战计划的准备请求。

    • 接受者关羽(节点 X)在8 点收到来自诸葛亮发送的作战计划准备请求,在10 点 收到来自庞统发送的作战计划准备请求。

    • 接受者张飞(节点 Y)在9 点收到来自诸葛亮发送的作战计划准备请求,在 11 点 收到来自庞统发送的作战计划准备请求。

    • 接受者赵云(节点 Z)在 12 点 收到来自庞统发送的作战计划准备请求,在13 点收到来自诸葛亮发送的作战计划准备请求。

    准备阶段-发送准备请求

    注意:准备阶段不需要携带具体的作战计划,所以作战计划可以为空,但是提议编号必须有。

    收到准备请求(第一次)

    按照接受请求的时间顺序,关羽和张飞收到诸葛亮的请求[1,空],赵云收到庞统的请求[2,空]

    准备阶段-收到准备的请求(第一次)

    因为关羽、张飞之前没有收到提案,所以返回一个尚无提案的响应。也就是告诉诸葛亮,不会再响应编号小于等于 1 的准备请求了,也不会通过编号小于 1 的提案。响应的时间点是 14 点和 15 点

    而赵云之前也没有收到提案,所以返回一个尚无提案的响应。也就是告诉庞统,不会再响应编号小于等于 2的准备请求了,也不会通过编号小于 2 的提案。响应的时间点是 16 点

    收到准备请求(第二次)

    准备阶段-收到准备的请求(第二次)

    而对于庞统的准备请求,关羽、张飞收到编号为 2 的准备请求,而 编号 2 大于之前接受到的编号 1 ,而且关羽和张飞没有通过任何提案,所以还是会返回给庞统一个尚无提案 的响应。也就是告诉庞统不会再响应编号小于等于 2 的准备请求了,也不会通过编号小于 2 的提案。响应的时间点是 14 点和 15 点

    而赵云最后收到诸葛亮编号为 1 准备请求后,因编号 1小于之前响应的准备请求的提案编号 2,所以直接丢弃该准备请求,不做响应,如上图的 ? 图示。

    接受阶段

    发送接受请求

    诸葛亮和庞统收到准备响应后,会分别发送接受请求,如下图所示:

    接受阶段-发送接受请求

    诸葛亮收到大多数接受者(关羽和张飞)的准备响应后,根据响应中提案编号最大的提案的值,设置接受请求中的值。因为关羽和张飞返回的准备响应都是尚无提案,所以还是发送提案编号为 1,提案值为接受请求代表从北边进攻曹操。发送的时间点是 15 点过 1 分、16 点

    为什么是 15 点过 1 分? 因为只要满足大多数接受者的准备请求后,就可以发送接受请求了。关羽和张飞响应的时间点是 14 点和 15 点,所以 15 点以后就可以发送了。

    庞统收到大多数接受者(关羽、张飞和赵云)的准备响应后,根据响应中提案编号最大的提案的值,,设置接受请求中的值。因为关羽、张飞和赵云返回的准备响应都是尚无提案,所以还是发送提案编号为 2,提案值为接受请求代表从南边进攻曹操。发送的时间点是 18 点、19 点、20 点

    收到接受请求

    当关羽、张飞、赵云收到诸葛亮和庞统的接受请求后,会进行如下处理,如下图所示:

    接受阶段-收到接受请求

    关羽、张飞、赵云收到诸葛亮发送的提案 [1,北]时候,因为提案编号 1小于他们承诺的能通过的提案的最小提案编号 2,所以诸葛亮的提案被拒绝了。

    而当他们收到庞统的发送的提案 [2,南] 的时候,因为编号 2 不小于之前承诺的编号 2,所以通过庞统的提案 [2,南] ,所以关羽、张飞、赵云他们的作战计划是从南边进攻曹操。达成了共识

    学习者登场

    当接受者通过了一个提案时,就通知所有的学习者。当学习者发现大多数的接受者都通过了某个提案,那么学习者也会通过该提案,接受该提案的值。

    也就是说关羽、张飞、赵云达成了共识后,学习者法正马良也同样通过从南边进攻的作战计划

    总结

    • Basic Paxos 也是通过二阶段提交协议达成共识。准备阶段、接受阶段。不知道二阶段提交协议的,可以看我前面的文章。《用太极拳讲分布式理论,舒服!》

    • Basic Paxos 不仅仅实现了共识,还实现了容错。有少于一半的节点出现故障时,集群也能正常工作。文中也多次强调了大多数节点都同意的原则,而这个原则赋予了 Basic Paxos 容错的能力。

    • 提案编号代表优先级,保证了三个承诺:

      • 如果 准备请求的提案编号, 小于等于接受者已经响应的 准备请求的提案编号,那么接受者将承诺不响应这个 准备请求

      • 如果 接受请求中的提案的提案编号, 小于接受者已经响应的 准备请求的提案,那么接受者将承诺不通过这个提案。

      • 如果接受者之前有通过提案,那么接受者将承诺,会在 准备请求的响应中,包含已经通过的最大编号的提案信息。




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