架构06-分布式共识

零、文章目次

架构06-分布式共识

1、分布式共识

（1）基本概念

• **分布式共识：**在分布式系统中，多个节点之间告竣一致的过程。
  
• **复杂性来源：**网络的不可靠性和哀求的并发性。
  
• **应用场景：**如何确保重要数据长期存储在电脑上不会丢失。
  

（2）数据备份与系统可靠性

• 磁盘备份：
  
  
  
  • 使用多块磁盘备份数据，降低数据丢失概率。
    
  • 例如，使用四块磁盘保存同一份数据，数据丢失的概率仅为0.0000625%。
    
  
  
• 软件系统可靠性：
  
  
  
  • 单个节点系统宕机的原因多样，如程序错误、硬件损坏、网络分区等。
    
  • 通过多台机器拥有数据副本，进步系统的可靠性。
    
  
  

（3）系统可用性挑战

• 动态数据同步：
  
  
  
  • 数据同步方法如2PC、3PC，确保数据在多个节点间一致。
    
  • **缺点：**增加Slave节点会增加系统可用性风险。
    
  
  
• 状态转移 vs 操作转移：
  
  
  
  • **状态转移：**确保全部节点状态一致，但捐躯可用性。
    
  • **操作转移：**通过操作日记广播，允许内部状态不一致，但最终状态一致。
    
  
  

（4）高可用与高可靠性的平衡

• Quorum机制：
  
  
  
  • 通过“少数服从多数”原则，容忍部分节点失联，进步系统可用性。
    
  • 例如，凌驾半数节点完成状态转换，即可认为数据变革成功。
    
  
  

2、Paxos算法

（1）Paxos算法简介

• **提出者：**Leslie Lamport。
  
• **职位：**分布式系统最重要的理论根本之一。
  
• **配景：**Paxos算法的提出和被认可经历了多次妨害。
  

（2）Paxos算法的工作流程

• 节点角色：
  
  
  
  • **Proposer：**提出提案。
    
  • **Acceptor：**应答提案，决定提案是否被接受。
    
  • **Learner：**学习已告竣共识的提案。
    
  
  
• 工作流程：
  
  
  
  • 准备阶段（Prepare）：
    
    
    
    • Proposer向全部Acceptor广播Prepare哀求，附带提案ID。
      
    • Acceptor复兴Promise应答，承诺不再接受ID小于等于n的Prepare哀求和ID小于n的Accept哀求。
      
    
    
  • 答应阶段（Accept）：
    
    
    
    • Proposer收到多数Acceptor的Promise应答后，选择符合的值，广播Accept哀求。
      
    • Acceptor在不违背承诺的条件下，吸收并长期化提案值。
      
    
    
  • 共识告竣：
    
    
    
    • Proposer收到多数Acceptor的Accepted应答后，共识告竣，通知Learner。
      
    
    
  • 
    
    
  
  

（3）Paxos算法的范围性

• 缺陷：
  
  
  
  • 只能对单个值形成决议。
    
  • 至少需要两次网络哀求和应答，高并发下网络开销大。
    
  • **活锁题目：**多个提案节点各执己见，导致系统“反复横跳”。
    
  • **非常场景：**由于提案节点的完全平等和并发提案，系统复杂性增加。
    
  
  
• 现实应用：
  
  
  
  • 现实应用中多使用Multi Paxos和Fast Paxos等改进版本。
    
  
  

3、Multi Paxos 的改进

（1）核心改进

• **核心改进：**增加“选主”过程。
  
• 选主机制：
  
  
  
  • 定时轮询（心跳）确定当前主节点。
    
  • 心跳超时后，节点使用 Basic Paxos 的准备、答应过程竞选主节点。
    
  • 得到多数派答应后，竞选成功。
    
  
  
• 主节点角色：
  
  
  
  • 只有主节点可以提出提案。
    
  • 从节点吸收到客户端哀求后，将哀求转发给主节点。
    
  • 主节点提案时，无需再次经过准备过程，只需答应即可。
    
  
  

（2）数据复制过程

• 正常情况：
  
  
  • 主节点将变更写入日记，广播给从节点。
    
  • 从节点写入日记，复兴确认消息。
    
  • 主节点收到过半数确认后，提交变更，应答客户端，广播提交消息。
    
  • 从节点提交变更，完成数据复制。
    
  
  
• 非常情况：
  
  
  
  • **网络分区：**部分节点失联，但仍能正常工作的节点数量满足多数派要求。
    
  • **分区规复：**主节点通过任期编号确定唯一性，回滚未提交的变更，同步失联期间的变更。
    
  
  

（3）安全性包管

• **Safety（协定性）：**确保选主结果唯一，不会出现多个主节点。
  
• **Liveness（停止性）：**选主过程最终能够结束。
  
• **活锁题目：**理论上存在选主无法结束的风险，但现实工程实现中几乎不会出现。
  

（4）Raft 算法

• **核心思想：**将共识题目分解为三个子题目：
  
  
  • Leader Election：选主题目。
    
  • Entity Replication：数据复制题目。
    
  • Safety：安全性包管。
    
  
  
• **应用：**etcd、LogCabin、Consul 等分布式程序的根本。
  

4、Gossip 协议

（1）特点

• 实用于最终一致性场景。
  
• 无中心化节点，节点平等。
  
• 高鲁棒性，适合公众互联网。
  

（2）工作过程

• 信息源选择固定周期，随机选择 k 个节点传播消息。
  
• 收到消息的节点在下一个周期内，将消息发送给 k 个节点，直到全网一致。
  

（3）缺点

• 状态不一致时间长。
  
• 消息冗余，增加网络传输压力。
  

（4）传播方式

• **反熵：**同步全部数据，消除节点差别。
  
• **传谣：**仅发送变更信息，减少网络开销。
  

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