區塊鏈共識演算法(6)分散式一致性演算法2PC和3PC

尹成發表於2018-05-21
區塊鏈演算法分散式
# 分散式一致性演算法2PC和3PC

為了解決分散式一致性問題，產生了不少經典的分散式一致性演算法，本文將介紹其中的2PC和3PC。
2PC即Two-Phase Commit，譯為二階段提交協議。
3PC即Three-Phase Commit，譯為三階段提交協議。

### 分散式系統和分散式一致性問題

分散式系統，即執行在多臺不同的網路計算機上的軟硬體系統，並且僅通過訊息傳遞來進行通訊和協調。
分散式一致性問題，即相互獨立的節點之間如何就一項決議達成一致的問題。

### 2PC

2PC，二階段提交協議，即將事務的提交過程分為兩個階段來進行處理：準備階段和提交階段。
事務的發起者稱協調者，事務的執行者稱參與者。

##### 階段1：準備階段

* 1、協調者向所有參與者傳送事務內容，詢問是否可以提交事務，並等待所有參與者答覆。
* 2、各參與者執行事務操作，將Undo和Redo資訊記入事務日誌中（但不提交事務）。
* 3、如參與者執行成功，給協調者反饋YES，即可以提交；如執行失敗，給協調者反饋NO，即不可提交。

##### 階段2：提交階段

此階段分兩種情況：所有參與者均反饋YES、或任何一個參與者反饋NO。
所有參與者均反饋YES時，即提交事務。
任何一個參與者反饋NO時，即中斷事務。

提交事務：（所有參與者均反饋YES）
* 1、協調者向所有參與者發出正式提交事務的請求（即Commit請求）。
* 2、參與者執行Commit請求，並釋放整個事務期間佔用的資源。
* 3、各參與者向協調者反饋Ack完成的訊息。
* 4、協調者收到所有參與者反饋的Ack訊息後，即完成事務提交。

附如下示意圖：



中斷事務：（任何一個參與者反饋NO）
* 1、協調者向所有參與者發出回滾請求（即Rollback請求）。
* 2、參與者使用階段1中的Undo資訊執行回滾操作，並釋放整個事務期間佔用的資源。
* 3、各參與者向協調者反饋Ack完成的訊息。
* 4、協調者收到所有參與者反饋的Ack訊息後，即完成事務中斷。

附如下示意圖：



### 2PC的缺陷

* 1、同步阻塞：最大的問題即同步阻塞，即：所有參與事務的邏輯均處於阻塞狀態。
* 2、單點：協調者存在單點問題，如果協調者出現故障，參與者將一直處於鎖定狀態。
* 3、腦裂：在階段2中，如果只有部分參與者接收並執行了Commit請求，會導致節點資料不一致。

由於2PC存在如上同步阻塞、單點、腦裂問題，因此又出現了2PC的改進方案，即3PC。

### 3PC

3PC，三階段提交協議，是2PC的改進版本，即將事務的提交過程分為CanCommit、PreCommit、do Commit三個階段來進行處理。

##### 階段1：CanCommit

* 1、協調者向所有參與者發出包含事務內容的CanCommit請求，詢問是否可以提交事務，並等待所有參與者答覆。
* 2、參與者收到CanCommit請求後，如果認為可以執行事務操作，則反饋YES並進入預備狀態，否則反饋NO。

##### 階段2：PreCommit

此階段分兩種情況：
* 1、所有參與者均反饋YES，即執行事務預提交。
* 2、任何一個參與者反饋NO，或者等待超時後協調者尚無法收到所有參與者的反饋，即中斷事務。

事務預提交：（所有參與者均反饋YES時）
* 1、協調者向所有參與者發出PreCommit請求，進入準備階段。
* 2、參與者收到PreCommit請求後，執行事務操作，將Undo和Redo資訊記入事務日誌中（但不提交事務）。
* 3、各參與者向協調者反饋Ack響應或No響應，並等待最終指令。

中斷事務：（任何一個參與者反饋NO，或者等待超時後協調者尚無法收到所有參與者的反饋時）
* 1、協調者向所有參與者發出abort請求。
* 2、無論收到協調者發出的abort請求，或者在等待協調者請求過程中出現超時，參與者均會中斷事務。

##### 階段3：do Commit

此階段也存在兩種情況：
* 1、所有參與者均反饋Ack響應，即執行真正的事務提交。
* 2、任何一個參與者反饋NO，或者等待超時後協調者尚無法收到所有參與者的反饋，即中斷事務。

提交事務：（所有參與者均反饋Ack響應時）
* 1、如果協調者處於工作狀態，則向所有參與者發出do Commit請求。
* 2、參與者收到do Commit請求後，會正式執行事務提交，並釋放整個事務期間佔用的資源。
* 3、各參與者向協調者反饋Ack完成的訊息。
* 4、協調者收到所有參與者反饋的Ack訊息後，即完成事務提交。

中斷事務：（任何一個參與者反饋NO，或者等待超時後協調者尚無法收到所有參與者的反饋時）
* 1、如果協調者處於工作狀態，向所有參與者發出abort請求。
* 2、參與者使用階段1中的Undo資訊執行回滾操作，並釋放整個事務期間佔用的資源。
* 3、各參與者向協調者反饋Ack完成的訊息。
* 4、協調者收到所有參與者反饋的Ack訊息後，即完成事務中斷。

注意：進入階段三後，無論協調者出現問題，或者協調者與參與者網路出現問題，都會導致參與者無法接收到協調者發出的do Commit請求或abort請求。
此時，參與者都會在等待超時之後，繼續執行事務提交。

附示意圖如下：


### 3PC的優點和缺陷

優點：降低了阻塞範圍，在等待超時後協調者或參與者會中斷事務。避免了協調者單點問題，階段3中協調者出現問題時，參與者會繼續提交事務。

缺陷：腦裂問題依然存在，即在參與者收到PreCommit請求後等待最終指令，如果此時協調者無法與參與者正常通訊，會導致參與者繼續提交事務，造成資料不一致。

### 後記

無論2PC或3PC，均無法徹底解決分散式一致性問題。
解決一致性問題，唯有Paxos，後續將單獨總結。




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