Paxos分析之一—Paxos是什麼

Paxos有2種含義，廣義上來講，是指一系列協議的統稱，比如cheap Paxos <Cheap Paxos>(2004), fast paxos <Fast Paxos >(2005)，Disk Paxos 和Byzantine Paxos<The ABCD’s of Paxos> (2001)；狹義上來講，是指Leslie Lamport在其論文<The Part-Time Parliament >(1989)中提出的協議。

那Paxos協議是什麼那？可以看到很多文章在介紹Paxos時，都將其介紹為“是一種強一致性協議”，我覺得這麼說不夠準確。那麼Paxos究竟是什麼那？我們來看看幾篇Paxos經典的論文是如何定義Paxos的。Leslie Lamport在自己另外一篇論文<Paxos Made Simple> （2001）裡這麼說的：The Paxos algorithm for implementing a fault-tolerant distributed system
has been regarded as difficult to understand, perhaps because the original
presentation was Greek to many readers. 我們的重點在前半句，至於要理解後半句，需要了解Paxos的產生歷史，Paxos的歷史是計算機歷史中最有趣的歷史之一，這裡就不八卦了，有興趣的同學可以自行google.

另外一篇論文<Paxos made code>這樣描述Paxos：
The PAXOS algorithm for solving consensus is used to implement a fault-tolerant
Atomic Broadcast.

這篇論文中<Paxos Made Live – An Engineering Perspective>這樣描述：
We used the Paxos algorithm (“Paxos”) as the base for a framework that implements a fault-tolerant
log.

從這3句描述Paxos的句子中可以發現，都共同提到了一個詞：fault-tolerant。Fault-tolerant就是Paxos的核心。通常Paxos被用在資料寫入多個副本的場景，Paxos可以保證在容忍少量節點（n/2）掛掉的情況下仍然可以保證資料最終被成功寫入所有副本。假設我們不用Paxos，自己來實現副本寫入的邏輯，我們同步寫所有的副本，當所有副本都返回成功後，再通知使用者這條資料寫入成功，這種實現可以達到寫入多個副本的目的，但是這種方式無法容忍節點掛掉。Paxos的核心就是在容忍節點掛掉的情況下，保證資料最終寫入所有副本。所以說Paxos的核心是fault-tolerant，在任何一個Paxos的定義中都沒有提到一致性，所以說一致性不是Paxos關注的點。（Paxos是否保證強一致性這裡就不討論了）

從上面的3句話中我們還能看出2個點，第一個點是Paxos解決什麼問題：consensus。什麼是consensus，有人把它翻譯成一致性（也許這就是為什麼Paxos被有些人誤解為”是一種強一致性協議”的原因吧，錯誤的翻譯了這個詞），其實不準確，應該翻譯成共識。共識也就是說多個程式在分散式的條件下，針對一個值達成共識。後面會再解釋consensus。

第二個點就是Paxos可以用來實現Atomic Broadcast，或者log（也可以說狀態機）。後面也會再解釋Atomic Broadcast和狀態機。

總結一下Paxos是什麼：

核心：fault-tolerant
解決的問題：consensus
應用在：Atomic Broadcast和狀態機
場景：資料寫入多個副本

接下來，說一下Paxos具體是什麼？Leslie Lamport的論文中的Paxos協議由2個部分組成，一個是basic Paxos，一個是multi Paxos。協議中定義了4中角色：client, proposer, acceptor, learner 。這裡要特別指出的是learner。瞭解Zookeeper的人都知道，Zookeeper所使用的Zab協議和Paxos類似（有人說Zab是Paxos的變種，個人覺得2者差別很大)。Zookeeper中有3種角色，leader，follower，observer，在Zookeeper中observer角色其實是可用可無，但是在Paxos中learner角色是必須的。個人曾經受上面說法的影響，認為learner類似oberserver的所起的功能，導致很長時間無法正確理解Paxos協議的細節。

Basic Paxos是一種consensus演算法。consensus像上面所說的是用來讓多個程式針對一個值達成共識的，而且這個共識一旦達成就不可更改。這裡我們先不展開說明達成共識是怎樣的一個過程。我們這裡假設你已經理解了這個過程。這個過程可以單獨再寫篇文章來分析。這個達成共識過程就是Atomic Broadcast要完成功能。Zab其實就是從這個角度出發，將自己叫作原子廣播協議（Zookeeper Atomic Broadcast)。

那麼我們針對一個值達成共識有什麼用？這就要來說multi Paxos。我們把獨立的一個這樣達成共識的過程成之為一個例項(instance)。那麼我們反覆執行這個過程，就可以形成一系列的共識，也就是一系列的例項。那麼這個反覆執行的過程就是multi Paxos。一系列的例項，就是一系列確定下來的值，這一系列的值可以看做一個日誌流，而且是複製到所有節點上的日誌流。Raft就是從這個角度出發，這樣定義自己”Raft is a consensus algorithm for managing a replicated log”<In Search of an Understandable Consensus Algorithm>。（個人覺得Raft和Paxos的細節差別也很大)。接下來我們就可以基於這個日誌實現狀態機(state machine）。這個狀態機可以用來實現可靠的儲存系統，在儲存系統中的一個節點寫入一個值或者修改一個值，我們將這個變更寫入日誌，做為日誌的一條記錄，也就是一個Paxos的一個例項，日誌被複制到其他節點，其他節點按照相同的順序重做日誌，那麼就會得到和主節點完全相同的狀態。從而實現了一個fault-tolerant的儲存系統。所以說儲存系統引入類似Paxos這樣的協議是提高了系統的可靠性。

最後再總結一下Paxos是什麼：

核心：fault-tolerant
解決的問題：consensus
應用在：Atomic Broadcast和狀態機
場景：資料寫入多個副本