區塊鏈共識演算法(4)分散式一致性演算法Paxos

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Paxos

Paxos是一種基於訊息傳遞的分散式一致性演算法，由Leslie Lamport（萊斯利·蘭伯特）於1990提出。
是目前公認的解決分散式一致性問題的最有效演算法之一。

### 要解決的問題及應用場景

Paxos演算法要解決的問題，可以理解為：一個非同步通訊的分散式系統中，如何就某一個值（決議）達成一致。
而此處非同步通訊是指，訊息在網路傳輸過程中存在丟失、超時、亂序現象。

其典型應用場景為：

在一個分散式系統中，如果各節點初始狀態一致，而且每個節點執行相同的命令序列，那麼最後就可以得到一個一致的狀態。
為了保證每個節點執行相同的命令序列，即需要在每一條指令上執行一致性演算法（如Paxos演算法），來保證每個節點指令一致。

### 概念定義

Proposal：為了就某一個值達成一致而發起的提案，包括提案編號和提案的值。

涉及角色如下：

* Proposer：提案發起者，為了就某一個值達成一致，Proposer可以以任意速度、發起任意數量的提案，可以停止或重啟。
* Acceptor：提案批准者，負責處理接收到的提案，響應、作出承諾、或批准提案。
* Learner：提案學習者，可以從Acceptor處獲取已被批准的提案。

### 約定

Paxos需要遵循如下約定：
* 1、一個Acceptor必須批准它收到的第一個提案。
* 2、如果編號為n的提案被批准了，那麼所有編號大於n的提案，其值必須與編號為n的提案的值相同。

### 演算法描述

階段一：準備階段

* 1、Proposer選擇一個提案編號n，向Acceptor廣播Prepare(n)請求。
* 2、Acceptor接收到Prepare(n)請求，
如果編號n大於之前已經響應的所有Prepare請求的編號，
那麼將之前批准過的最大編號的提案反饋給Proposer，並承諾不再接收編號比n小的提案。
否則不予理會。

階段二：批准階段

* 1、Proposer收到半數以上的Acceptor響應後，
如果響應中不包含任何提案，那麼將提案編號n和自己的值，作為提案傳送Accept請求給Acceptor。
否則將編號n，與收到的響應中編號最大的提案的值，作為提案傳送Accept請求給Acceptor。
* 2、Acceptor收到編號為n的Accept請求，
只要Acceptor尚未對編號大於n的Prepare請求做出響應，就可以批准這個提案。

### 死迴圈問題

如果Proposer1提出編號為n1的提案，並完成了階段一。
與此同時Proposer2提出了編號為n2的提案，n2>n1，同樣也完成了階段一。
於是Acceptor承諾不再批准編號小於n2的提案，當Proposer1進入階段二時，將會被忽略。
同理，此時，Proposer1可以提出編號為n3的提案，n3>n2，又會導致Proposer2的編號為n2的提案進入階段二時被忽略。
以此類推，將進入死迴圈。

解決辦法：

可以選擇一個Proposer作為主Proposer，並約定只有主Proposer才可以提出提案。
因此，只要主Proposer可以與過半的Acceptor保持通訊，那麼但凡主Proposer提出的編號更高的提案，均會被批准。

### Learner

一旦Acceptor批准了某個提案，即將該提案發給所有的Learner。
為了避免大量通訊，Acceptor也可以將批准的提案，發給主Learner，由主Learner分發給其他Learner。
考慮到主Learner單點問題，也可以考慮Acceptor將批准的提案，發給主Learner組，由主Learner組分發給其他Learner。

### 參考文件

* [Paxos Made Simple（中文翻譯版）](https://github.com/oldratlee/translations/tree/master/paxos-made-simple)
* [微信自研生產級paxos類庫PhxPaxos實現原理介紹](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI4NDMyNTU2Mw==&mid=2247483695&idx=1&sn=91ea422913fc62579e020e941d1d059e#rd)
* [【原創】一步一步理解Paxos演算法](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MDg2NjIyMA==&mid=203607654&idx=1&sn=bfe71374fbca7ec5adf31bd3500ab95a&key=8ea74966bf01cfb6684dc066454e04bb5194d780db67f87b55480b52800238c2dfae323218ee8645f0c094e607ea7e6f&ascene=1&uin=MjA1MDk3Njk1&devicetype=webwx&version=70000001&pass_ticket=2ivcW%2FcENyzkz%2FGjIaPDdMzzf%2Bberd36%2FR3FYecikmo%3D)

### 後記

Paxos演算法相對難以理解和實現，因此後來又出現了更容易理解和實現的Raft演算法。
後續會單獨總結。




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