分佈式系統理論進階 - Paxos變種和優化

引言

《分佈式系統理論進階 - Paxos》中咱們瞭解了Basic Paxos、Multi Paxos的基本原理，但若是想把Paxos應用於工程實踐，瞭解基本原理還不夠。

 

有不少基於Paxos的優化，在保證一致性協議正確(safety)的前提下，減小Paxos決議通訊步驟、避免單點故障、實現節點負載均衡，從而下降時延、增長吞吐量、提高可用性，下面咱們就來了解這些Paxos變種。

 

Multi Paxos

首先咱們來回顧一下Multi Paxos，Multi Paxos在Basic Paxos的基礎上肯定一系列值，其決議過程以下：

phase1a: leader提交提議給acceptor

phase1b: acceptor返回最近一次接受的提議(即曾接受的最大的提議ID和對應的value)，未接受過提議則返回空

phase2a: leader收集acceptor的應答，分兩種狀況處理

　　phase2a.1: 若是應答內容都爲空，則自由選擇一個提議value

　　phase2a.2: 若是應答內容不爲空，則選擇應答裏面ID最大的提議的value

phase2b: acceptor將決議同步給learner

 

Multi Paxos中leader用於避免活鎖，但leader的存在會帶來其餘問題，一是如何選舉和保持惟一leader(雖然無leader或多leader不影響一致性，但影響決議進程progress)，二是充當leader的節點會承擔更多壓力，如何均衡節點的負載。Mencius^[1]提出節點輪流擔任leader，以達到均衡負載的目的；租約(lease)能夠幫助實現惟一leader，但leader故障狀況下可致使服務短時間不可用。

 

Fast Paxos

在Multi Paxos中，proposer -> leader -> acceptor -> learner，從提議到完成決議共通過3次通訊，能不能減小通訊步驟？

對Multi Paxos phase2a，若是能夠自由提議value，則可讓proposer直接發起提議、leader退出通訊過程，變爲proposer -> acceptor -> learner，這就是Fast Paxos^[2]的由來。

Multi Paxos裏提議都由leader提出，於是不存在一次決議出現多個value，Fast Paxos裏由proposer直接提議，一次決議裏可能有多個proposer提議、出現多個value，即出現提議衝突(collision)。leader起到初始化決議進程(progress)和解決衝突的做用，當衝突發生時leader從新參與決議過程、回退到3次通訊步驟。

 

Paxos自身隱含的一個特性也能夠達到減小通訊步驟的目標，若是acceptor上一次肯定(chosen)的提議來自proposerA，則當次決議proposerA能夠直接提議減小一次通訊步驟。若是想實現這樣的效果，須要在proposer、acceptor記錄上一次決議肯定(chosen)的歷史，用以在提議前知道哪一個proposer的提議上一次被肯定、當次決議能不能節省一次通訊步驟。

 

EPaxos

除了從減小通訊步驟的角度提升Paxos決議效率外，還有其餘方面能夠下降Paxos決議時延，好比Generalized Paxos^[3]提出不衝突的提議(例如對不一樣key的寫請求)能夠同時決議、以下降Paxos時延。

 

更進一步地，EPaxos^[4](Egalitarian Paxos)提出一種既支持不衝突提議同時提交下降時延、還均衡各節點負載、同時將通訊步驟減小到最少的Paxos優化方法。

 

爲達到這些目標，EPaxos的實現有幾個要點。一是EPaxos中沒有全局的leader，而是每一次提議發起提議的proposer做爲當次提議的leader(command leader)；二是不相互影響(interfere)的提議能夠同時提交；三是跳過prepare，直接進入accept階段。EPaxos決議的過程以下：

左側展現了互不影響的兩個update請求的決議過程，右側展現了相互影響的兩個update請求的決議。Multi Paxos、Mencius、EPaxos時延和吞吐量對比：

爲判斷決議是否相互影響，實現EPaxos得記錄決議之間的依賴關係。

 

小結

以上介紹了幾個基於Paxos的變種，Mencius中節點輪流作leader、均衡節點負載，Fast Paxos減小一次通訊步驟，Generalized Paxos容許互不影響的決議同時進行，EPaxos無全局leader、各節點平等分擔負載。

 

優化無止境，對Paxos也同樣，應用在不一樣場景和不一樣範圍的Paxos變種和優化將繼續不斷出現。

 

[1] Mencius: Building Efficient Replicated State Machines for WANs, Yanhua Mao,Flavio P. Junqueira,Keith Marzullo, 2018

[2] Fast Paxos, Leslie Lamport, 2005

[3] Generalized Consensus and Paxos, Leslie Lamport, 2004

[4] There Is More Consensus in Egalitarian Parliaments, Iulian Moraru, David G. Andersen, Michael Kaminsky, 2013