圖解 Paxos 一致性協議

參考：

• Paxos協議基本原理，http://blog.csdn.net/malefactor/article/details/51365744
• 微信PaxosStore：深刻淺出Paxos算法協議，http://www.infoq.com/cn/articles/wechat-paxosstore-paxos-algorithm-protocol
• 分佈式一致性算法--Paxos，http://www.javashuo.com/article/p-zjvaeauo-bv.html

前言

Paxos 一致性協議能夠說是一致性協議研究的起點，也以難以理解聞名。其實協議自己並無多難理解，它的難理解性主要體如今：爲什麼如此設計協議以及如何證實其正確性。本文嘗試經過流程圖來講明協議的內容以及基本應用過程，不涉及如何證實其正確性。

基本概念

Paxos 能夠分爲兩種：

• Single-Decree Paxos：決策單個 Value
• Multi-Paxos：連續決策多個 Value，而且保證每一個節點上的順序徹底一致，多 Paxos 每每是同事運行多個單 Paxos 協議共同執行的結果。

本文只關注單 Paxos 的原理，理解了單 Paxos，多 Paxos 也就不難理解了。

Paxos 協議中的三種角色

• 倡議者（Proposer）：倡議者能夠提出提議（數值或者操做命令）以供投票表決
• 接受者（Acceptor）：接受者能夠對倡議者提出的提議進行投票表決，提議有超半數的接受者投票即被選中
• 學習者（Learner）：學習者無投票權，只是從接受者那裏獲知哪一個提議被選中

在協議中，每一個節點能夠同時扮演以上多個角色。

Paxos 的特色

• 一個或多個節點能夠提出提議
• 系統必須針對全部提案中的某個提案達成一致（超過半數的接受者選中）
• 最多隻能對一個肯定的提議達成一致
• 只要超半數的節點存活且可互相通訊，整個系統必定能達成一致狀態，即選擇一個肯定的提議

協議圖示

Paxos
經過上面的流程，若是有多個節點同時提出各自的提議，Paxos 就能夠保證從中選出一個惟一肯定的值，保證分佈式系統的一致性。

實例

下面咱們經過例子來理解 Paxos 的實際應用過程。

假設如今有五個節點的分佈式系統，此時 A 節點打算提議 X 值，E 節點打算提議 Y 值，其餘節點沒有提議。
Paxos-1

假設如今 A 節點廣播它的提議（也會發送給本身），因爲網絡延遲的緣由，只有 A，B，C 節點收到了。注意即便 A，E 節點的提議同時到達某個節點，它也必然有個前後處理的順序，這裏的「同時」不是真正意義上的「同時」。
Paxos-2

A，B，C接收提議以後，因爲這是第一個它們接收到的提議，acceptedProposal 和 acceptedValue 都爲空。
Paxos-3

因爲 A 節點已經收到超半數的節點響應，且返回的 acceptedValue 都爲空，也就是說它能夠用 X 做爲提議的值來發生 Accept 請求，A，B，C接收到請求以後，將 acceptedValue 更新爲 X。
Paxos-4

A，B，C 會發生 minProposal 給 A，A 檢查發現沒有大於 1 的 minProposal 出現，此時 X 已經被選中。等等，咱們是否是忘了D，E節點？它們的 acceptedValue 並非 X，系統還處於不一致狀態。至此，Paxos 過程尚未結束，咱們繼續看。
Paxos-5

此時 E 節點選擇 Proposal ID 爲 2 發送 Prepare 請求，結果就和上面不同了，由於 C 節點已經接受了 A 節點的提議，它不會三心二意，因此就告訴 E 節點它的選擇，E 節點也很紳士，既然 C 選擇了 A 的提議，那我也選它吧。因而，E 發起 Accept 請求，使用 X 做爲提議值，至此，整個分佈式系統達成了一致，你們都選擇了 X。
Paxos-6

上面是 Paxos 的一個簡單應用過程，其餘複雜的場景也能夠根據流程圖慢慢推導，這裏只是拋磚引玉。