分布式系统设计之共识算法—2PC、3PC、 Paxos-阿里云开发者社区

分布式系统设计之共识算法—2PC、3PC、 Paxos

2024-02-22 44

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简介： 分布式系统设计之共识算法—2PC、3PC、 Paxos

分布式共识协议有什么作用？

共识问题分布式计算中最基本的概念之一，是让分布式系统中的一组节点就某事达成一致的问题的一个价值、一个行动方案或一个决定。达成共识允许分布式系统充当单个实体，每个单独的节点都知道并同意整个网络的行为。

例如，共识的一些可能用途是：

分布式事务处理
分布式不同节点间同步时钟
决定分布式算法的下一阶段（这是著名的复制状态机方法）
选举一个领导节点来协调一些更高级别的协议

Google Chubby Service的发明者 Mike Burrows 说“只有一种共识协议，那就是 Paxos”。

1 两阶段提交（2PC）协议

1.1 概念

两阶段提交又称 2PC，是一个非常经典的 强一致、中心化的原子提交协议。两阶段提交协议经常用来实现分布式事务，在两阶段协议中，系统一般包含两类节点：一类是 协调者，通常一个系统中只有一个；另一类是事务的 参与者，一般包含多个，在提交过程中任何节点都能当做协调者发起2PC，不必特别选举。

1.2 具体流程

2PC协议的两个步骤：

请求(投票)阶段：联系每一位参与者，提出价值并收集他们的回应。
提交阶段：如果每个人都同意，请再次联系每个参与者，让他们知道。否则，请联系每个参与者以中止共识。

1.3 问题

性能问题
无论是在第一阶段的过程中，还是在第二阶段，所有的参与者资源和协调者资源都是被锁住的，只有当所有节点准备完毕，事务协调者才会通知进行全局提交，参与者进行本地事务提交后才会释放资源。这样的过程会比较漫长，对性能影响比较大。
单节点故障
由于协调者的重要性，一旦协调者发生故障。参与者会一直阻塞下去。尤其在第二阶段，协调者发生故障，那么所有的参与者还都处于锁定事务资源的状态中，而无法继续完成事务操作。

2 三阶段提交（3PC）协议

2.1 概念

3PC是2PC的改进版本。3PC主要是为了解决两阶段提交协议的阻塞问题，2PC 存在的问题是当协作者崩溃时，参与者不能做出最后的选择。因此参与者可能在协作者恢复之前保持阻塞。改进措施：

(1) 引入超时机制，同时在协调者和参与者中都引入超时机制。

(2) 在 2PC 的第二阶段中插入一个准备阶段，保证了在最后提交阶段之前各参与节点的状态是一致的。

也就是说，除了引入超时机制之外，3PC 把 2PC 的准备阶段再次一分为二，这样三阶段提交就有 CanCommit、PreCommit、DoCommit 三个阶段。

2.2 具体步骤

将 2PC 的第二阶段——“提交”——分成两个子阶段。第一个是“准备提交”阶段。当协调者在第一阶段收到一致的“是”票时，它会将此消息发送给所有副本。收到此消息后，副本进入一种能够提交事务的状态 - 通过获取必要的锁等 - 但至关重要的是，它们不会做任何他们以后无法撤消的工作。然后他们回复协调员，告诉它“准备提交”消息已收到。

2.3 问题

依然没有完全解决数据不一致的问题

3 Paxos协议

Paxos 起来很像 2PC。提议者向接受者发送“准备”请求。当接受者表示同意接受提案时，提议者向接受者发送提交请求。最后，接受者回复提供者，表明提交请求成功或失败。一旦足够多的接受者提交了价值并通知了提议者，协议就会终止。

Paxos 为 2PC 添加了两个重要的机制。

对请求进行排序，以便确定应该接受两个提案中的哪一个。
当大多数接受者表示他们已经决定时，考虑接受一个提案。这与 2PC 不同，后者只有在每个接受者都同意的情况下才会接受提案。这导致了 2PC 的阻塞特性，其中单个故障节点可能导致协议永远不会终止，而提议者等待永远不会到来的回复。相反，在 Paxos 中，近一半的节点可能无法回复，协议仍将正确继续。

Paxos中两个重要的角色：

提议者：

向大多数接受者提交编号为n 的请求。等待大多数接受者回复。
如果多数人回复“同意”，他们还将发回他们已经接受的任何提案的价值。选择其中一个值，并发送带有提案编号和值的“提交”消息。如果尚未接受任何值，请使用您自己的值。相反，如果多数人回复“拒绝”，或未能回复，则放弃提案并重新开始。
如果大多数人使用“已接受”消息回复您的提交请求，则认为协议已终止。否则，放弃提案并重新开始。

接受者：