分布式理论基础（四）Paxos

1 背景

分布式理论基础（一）一致性及解决一致性的两种方式：2PC和3PC 中介绍了一致性，Paxos协议在节点宕机恢复、消息无序或丢失、网络分化的场景下能保证决议的一致性，是被讨论最广泛的一致性协议。

2 Basic Paxos

作为解决一致性问题的协议，Paxos的核心是节点间如何确定并只确定一个值(value)。在Paxos协议里确定并只确定一个值是确定多值的基础，如何确定多值将在第二部分Multi Paxos中介绍，这部分我们聚焦在“Paxos如何确定并只确定一个值”这一问题上。

先举一个例子:

分布式理论之一：Paxos算法的通俗理解

和2PC类似，Paxos先把节点分成两类，发起提议(proposal)的一方为proposer，参与决议的一方为acceptor。假如只有一个proposer发起提议，并且节点不宕机、消息不丢包，那么acceptor做到以下这点就可以确定一个值：

P1. 一个acceptor接受它收到的第一项提议

我们尝试放宽条件，假设多个proposer可以同时发起提议，又怎样才能做到确定并只确定一个值呢？

首先proposer和acceptor需要满足以下两个条件：

proposer发起的每项提议分别用一个ID标识，提议的组成因此变为(ID, value)
acceptor可以接受(accept)不止一项提议，当多数(quorum) acceptor接受一项提议时该提议被确定(chosen)

注: 注意以上“接受”和“确定”的区别

我们约定后面发起的提议的ID比前面提议的ID大，并假设可以有多项提议被确定，为做到确定并只确定一个值acceptor要做到以下这点：

P2. 如果一项值为v的提议被确定，那么后续只确定值为v的提议

由于一项提议被确定(chosen)前必须先被多数派acceptor接受(accepted)，为实现P2，实质上acceptor需要做到：

P2a. 如果一项值为v的提议被确定，那么acceptor后续只接受值为v的提议

满足P2a则P2成立 (P2a => P2)。

目前在多个proposer可以同时发起提议的情况下，满足P1、P2a即能做到确定并只确定一个值。如果再加上节点宕机恢复、消息丢包的考量呢？

假设acceptor c 宕机一段时间后恢复，c 宕机期间其他acceptor已经确定了一项值为v的决议但c 因为宕机并不知晓；c 恢复后如果有proposer马上发起一项值不是v的提议，由于条件P1，c 会接受该提议，这与P2a矛盾。为了避免这样的情况出现，进一步地我们对proposer作约束：

P2b. 如果一项值为v的提议被确定，那么proposer后续只发起值为v的提议

满足P2b则P2a成立 (P2b => P2a => P2)。

P2b约束的是提议被确定(chosen)后proposer的行为，我们更关心提议被确定前proposer应该怎么做：

P2c. 对于提议(n,v)，acceptor的多数派S中，如果存在acceptor最近一次(即ID值最大)接受的提议的值为v'，那么要求v = v'；否则v可为任意值

满足P2c则P2b成立 (P2c => P2b => P2a => P2)。

条件P2c是Basic Paxos的核心，我们通过例子加深理解：

ID为2的提议最早提出，根据P2c其提议值可为任意值，这里假设为a
acceptor A/B/C/E 在之前的决议中没有接受(accept)任何提议，因而ID为5的提议的值也可以为任意值，这里假设为b
acceptor B/D/E，其中D曾接受ID为2的提议，根据P2c，该轮ID为14的提议的值必须与ID为2的提议的值相同，为a
acceptor A/C/D，其中D曾接受ID为2的提议、C曾接受ID为5的提议，相比之下ID 5较ID 2大，根据P2c，该轮ID为27的提议的值必须与ID为5的提议的值相同，为b；该轮决议被多数派acceptor接受，因此该轮决议得以确定
acceptor B/C/D，3个acceptor之前都接受过提议，相比之下C、D曾接受的ID 27的ID号最大，该轮ID为29的提议的值必须与ID为27的提议的值相同，为b

以上提到的各项约束条件可以归纳为3点，如果proposer/acceptor满足下面3点，那么在少数节点宕机、网络分化隔离的情况下，在“确定并只确定一个值”这件事情上可以保证一致性(consistency)：

B1(ß): ß中每一轮决议都有唯一的ID标识
B2(ß): 如果决议B被acceptor多数派接受，则确定决议B
B3(ß): 对于ß中的任意提议B(n,v)，acceptor的多数派中如果存在acceptor最近一次(即ID值最大)接受的提议的值为v'，那么要求v = v'；否则v可为任意值

注: 希腊字母ß表示多轮决议的集合，字母B表示一轮决议

另外为保证P2c，我们对acceptor作两个要求：

记录曾接受的ID最大的提议，因proposer需要问询该信息以决定提议值
在回应提议ID为n的proposer自己曾接受过ID最大的提议时，acceptor同时保证(promise)不再接受ID小于n的提议

至此，proposer/acceptor完成一轮决议可归纳为prepare和accept两个阶段。prepare阶段proposer发起提议问询提议值、acceptor回应问询并进行promise；accept阶段完成决议，图示如下：

还有一个问题需要考量，假如proposer A发起ID为n的提议，在提议未完成前proposer B又发起ID为n+1的提议，在n+1提议未完成前proposer C又发起ID为n+2的提议…… 如此acceptor不能完成决议、形成活锁(livelock)，虽然这不影响一致性，但我们一般不想让这样的情况发生。解决的方法是从proposer中选出一个leader，提议统一由leader发起。

最后我们再引入一个新的角色：learner，learner依附于acceptor，用于习得已确定的决议。以上决议过程都只要求acceptor多数派参与，而我们希望尽量所有acceptor的状态一致。如果部分acceptor因宕机等原因未知晓已确定决议，宕机恢复后可经本机learner采用pull的方式从其他acceptor习得。