paxos算法如何容错的--讲述五虎将的实践
本帖最后由 pig2 于 2015-6-12 21:12 编辑（本文包括章节：1、由来，2、算法简单回顾，3、演习道具，4、演习，5、算法提出者Leslie的八卦。hoho）1、由来：刘备接受了诸葛亮的提议，决定将paxos算法的思想应用到蜀帝国的决策机制上。然而，玄德生性谨慎，决定先行试点，实践下可行性。孔明提议，由蜀国五大肌肉男：关羽、张飞、赵云、马超、黄忠，做为决策者，而廖化、周仓、魏延分别无序的提出关于同一件事的水火不容的三个提案，孔明坚信：即使脑残者使用了paxos算法，也不会出现冲突的政令不一情况。paxos算法理论以及刘备是怎么被孔明忽悠的部分，同学们可以参考上篇《paxos分布式一致性算法--讲述诸葛亮的反穿越》：http://blog.csdn.net/russell_tao/article/details/7244530
闲话少叙，书接上文。
为了少打点字，刘备与诸葛亮俩玻璃不再以对话形式出现了。他们设置了五个官署（五虎将办公地，相当于Server），三个提案点（周仓等三人，发起提案时的办公地。相当于Client），当然都不在一起，信使们从提案点到官署传递信息的话，正常情况下需要半个小时，也就是30分钟。这次演习，哥俩不关注学习情况，所以paxos第三段就不在演习内容里了。诸葛亮为廖化、周他、魏延对于事件e准备了三个自相矛盾的提案，我们分别用p1、p2和p3代替吧。先行说明提案：
事件e（也就是本次paxos实例）：蜀国今后的发展路线提案p1：学习红色锤子镰刀，走激进主义，一切发展按照计划进行，小民们凭票消费，银子多了也没用，集中力量办大事，崇尚国家垄断主义。提案p2：学习自由联盟，走自由主义，宁失去效率也不失去公正，发展民营经济为先，民主、法制、新闻自由，通过这种公正来激发社会的整体创造力。提案p3：坚持孔孟之道，走保守主义，兼顾黄老之学，坚信中学为体、西学为用，国体不可大改，走有大汉国情的老路让别人说去吧。
2、算法简单回顾
我们再简单回顾下提案者和作为决策者的五虎将行动准则，共有六步，书记官（暂让五虎将兼职）负责记录下通过的提案p（通过了就叫法令了），这样，我们用1a,1b,2a,2b,3a,3c来表述全部的六步。（这六步就是三段式提交了，这在上篇《paxos分布式一致性算法--讲述诸葛亮的反穿越》里讲过，不再复述。）魏延、廖化、周仓：1a,作为提案者，首先向刘备要到个编号，搞清楚自己对事件e的态度。记录下当前时间，接下来向五虎将的多数派（3个或以上）发送事件+编号。2a,此时开始处理五虎将的回应，这就有多种情况了。收到明确拒绝就得放弃！检查沙漏，如果到达时间限制了，还没有足够的多数派回应，那么就试着给五虎将的其他人再发送提案看看。如果收到了足够的五虎将里多数派的回应，那么，确定在2a这步里，如果要提案，到底提哪个提议？是自己现在要提的提案？3a,提案者如果收到足够的五虎将多数派回应通过，则记录提案为通过的政策法令，同时通知所有书记官，也就是兼职的五虎将，把法令记录到羊皮纸上来。五虎将：1b，作为决策者，也需要沙漏，主要用于2b步骤后批准政策法令后，给自己设定个超时时间，若第三步信使没有过来，则超时后自动把提案变成政策法令记录到羊皮纸上。1b这个步骤是收到了信使的消息，来自于1a步骤里的提案者。收到事件e和编号N。五虎将这时将有可能出现三个动作：拒绝、通过以及第三个复杂点的动作，虽然通过但告诉魏延廖化，哥曾经批准过某提案了。（三种条件的达成请参考上篇文章《paxos分布式一致性算法--讲述诸葛亮的反穿越》）2b，与1b步骤相同，唯一不一样的是，如果决定批准某个提案，必须先把该提案和编号记录到羊皮纸的背面。（羊皮纸的详细用途参见演习前提）3b，记录法案到羊皮纸的正面上。（本步骤不在下面演习中出现）
3、演习道具
先解释下我们用到的道具吧。羊皮纸（相当于硬盘）：其正面记录真正通过的法令，背面相当于永久有效的草纸，背面记录一个三元组（S，V，Sh），S表示上次批准的提案编号，V表示上次批准的提案，Sh表示处理过的最大提案编号。（羊皮纸丢掉后的效果在演习结束后说明）草纸：与羊皮纸背面相同，记录三元组。唯一不同的是，草纸容易丢失。沙漏：记录时间。我们简单的认为，任何两个地方一次通讯时间为30分钟。所以，如果我们从提案者那出发，信使到五虎将再回来，我们认为一个小时足矣（忽略五虎将或者提案者的处理时间）。
下面的演习中，只有消息的丢失，实际上对于消息的重发和延迟，也不会有任何问题。只是对五虎将的缺席，需要做说明。如果五虎将的羊皮纸丢失，是不能直接再次加入进五人决策团的，必须学习到最新的状态。没丢羊皮纸，则可以随时加入进来。书记官记录法令中的不一致情况这里不加讨论。
为了方便在图表中表示，我们先给五虎将五个字母编号：关羽a，张飞b，赵云c，马超d，黄忠e。三种颜色表示不同的提案者：黄色表示廖化，蓝色表示周仓，红色表示魏延。
下面这幅图，表示不同的时间点，五虎将和三个提案者当时的状态。->表示第一步预提案。包括1a和1b两步。-->表示第二步提交提案，包括2a和2b。五虎将记录的(s,v,sh)表示的三元组上面讲过了。法令项下面对应的是提案者魏、廖、周三人的状态。（wait）表示刚发出提案，1小时内等待返回呢。e is drop表示发送给e黄忠的提案消息丢失了。好了，可以往下看了。
4、演习
先放图，解释在下面。
详细说明上图：8：30分上班了，红色周仓同学首先向关羽、赵云、黄忠三人发出了提案p1，编号为100，周仓开始等返回，预计9：30分时能收到三位的返回。我们假定，发给黄忠的信使出门就被孔明的跑车撞了。孔明闯祸后老实了，以下，不再出现信使失误事件了。8：40分，崇尚民主的廖化同学向关羽、张飞、黄忠三人发出了编号为101的提案p2，预计9：40分收到返回的信使。8：50分，喜欢孔孟的魏延同学向赵云、马超、黄忠三人发出了编号为110（魏延就是搞到大编号了啊）的提案p3，预计9：50收到返回的信使。9：00整，周仓的提案p1到了关羽、赵云手里（黄忠没收到），两人无条件接受，记录(100,p1,100)，承诺编号低于100的提案我可不会再处理了，然后两个信使开始返回。9：10分，廖化编号为101的提案p2到了关羽、张飞、黄忠之手，张飞、黄忠哥俩从没收过事件e的提案，毫无疑问记为(101,p2,101)，让信使回复接受。关羽则不然，红脸兄在10分钟前收到了周仓的编号为100的p1提案。所以，按规则办，关羽改自己的记录为（100,p1,101），让信使给廖化回复：你的编号101比较大，我同意你继续，不过我之前同意过一个编号为100的提案p1，请注意哦。9：20分，魏延的p3提案到了赵云、马超、黄忠三人之手，马超第一次收到提案，记为(110,p3,110)，回复批准。赵云和黄忠则不同，赵云收到过周仓的p1提案，这时要比提案编号了，魏延的110大于周仓的100，于是赵云记为(100,p1,110)，告诉信使：我通过了，我承诺编号小于110的我不会处理，同时，我曾经批准过编号为100的提案p1。同理，黄忠记为(101,p2,110)，也告诉信使：我曾经批准过编号为101的提案p2。9：30分，周仓同学检测返回的信使了，关羽和赵云都返回批准，但是黄忠没有返回。因为必须N/2+1，也就是大多数人批准才行，所以，周仓向张飞发出提案p1。9：40分，廖化收到了来自关羽、张飞、黄忠的回复，三人皆表示同意，但关羽表示：关某曾收到过编号100的p1提案。所以按照规则，廖化此时不能坚持自己原来的提案p2，而要改成关羽返回的提案p1，然后发起提交皆段，同样是让信使带给关羽、张飞、黄忠三人，我们用->>(a,b,e)表示。9：50分，魏延收到了赵云、马超、黄忠三人在9:20分的答复，三人都同意了，但回答各不相同。马超没有多话，赵云说我曾收到过编号为100的p1提案，黄忠说我曾经收到过编号为101的p2提案。于是，魏延根据规则，不再提自己原来的p3提案，改为101编号对应的提案p2。接着，魏延开始向这三人发出提交请求，编号为110的提案p2。10：00整，张飞收到了9:30分周仓补发的编号为100的提案p1，这之前，张飞在9:10分时曾经批准过来自廖化的提案p2，编号是101。所以，张飞在9:10时就已经承诺了，以后决不再处理编号小于101的提案。于是，张飞大吼一声：我拒绝。当然信使将会在10:30才能把消息带给周仓。10：10分，关羽、张飞、黄忠收到了来自廖化于9：40分发出的(101,p1)提案，关羽和张飞都发现自己可以批准，记录到羊皮纸的背面，同时告诉信使：告诉廖化P1提案我批准了，我承诺编号小于101的提案不予理会。黄忠则不然，老将黄忠在9:20分时收到过魏延编号为110的提案，那时他批准了，意味着，所有小于110的提案他都会拒绝掉。这次廖化的提案才101，当然被拒绝掉了。三人的回复将于10:40会到达廖化处。10：20分，魏延编号为110的P2提案到达赵云、马超、黄忠，三人没有疑问，毕竟110编号最大，都表示批准，并记录(110,p2,110)到各自的羊皮纸背面，回复信使通过。10：30分，周仓收到了他在9：30分发给张飞的回复，张飞在10:00拒绝了，所以周仓这个提案就此作废。10：40分，廖化收到了10：10来自关羽、张飞、黄忠的回复，关张二人批准，然而老黄忠明确表示拒绝，于是这次编号101的提案作废。10：50分，魏延收到了赵云、马超、黄忠的回复，三人都表示批准，于是编号为110的提案p2最终作为法令记录下来（之后的3b学习过程略过），从此以后，蜀国的路线被确立为走民主路线，许多年后，蜀国统一了银河系。完。
以上任何步骤，大家可以任意制造难度，例如让同一个信使重复投递消息，或者延迟一天后消息到达某虎将处。或者让某个虎将正常如厕，而后正常归来。大家会发现，一致性是可以达到的，无论怎样，对于同一个事件e，互相冲突的三个法案：p1,p1,p3，一定只有一个可以达成。对于任一虎将兄的挂掉，我们要分情况。如果是去大便，那么他的羊皮纸是不能丢的。大便完了，可以正常回到自己的官署办公。但是如果把羊皮纸丢了，那就不能立刻加入，必须向所有其他人学习，把失落的过程都学到，才能正常加入。这点至关重要，就是说，只要硬盘不坏，随时SERVER重启都能加入。硬盘一坏，对不起，学习完了才能继续办公。
5、后记---Leslie的八卦：paxos算法是解决分布式服务数据一致性的终极算法，google的基础服务chubby（GFS的基础服务）的开发者说， “there is only one consensus（一致性） protocol, and that’s Paxos”。Microsoft有fast paxos论文，yahoo的zookeeper也用了paxos算法。可见，paxos是解决完全的分布式服务（无单点）间数据一致性的最好方法。但是paxos比较复杂，特别是网上的中文资料里少有能说得清楚的（主要是太多paxos变种算法了，掺合到一起搅得人头大），例如中文wiki上的paxos解释，光看这个是不可能搞懂paxos的。
paxos算法由Leslie Lamport在1990年提出，毫无疑问，paxos想解决的就是分布式环境下（server会挂掉，通讯协议不可靠，消息可能延迟、丢失、重发）如何保持数据一致性的问题。Leslie Lamport同学在1982年提出的“拜占庭将军”问题上尝到了甜头，这也是个分布式环境下的一致性问题，Leslie通过类比的方式，伪造了“拜占庭将军”历史，通过这种简单的类比成功的简化了复杂的分布式环境，效果非常好。于是在1990年Leslie同样用类比的方式提出了paxos算法，该问题跟“拜占庭将军”问题的区别是，“拜占庭将军”允许有叛徒，也就是允许伪造消息（默许被黑客攻击），而paxos则不允许消息被伪造。Leslie很有幽默感的把论文写成一个考古发现，至始至终都在虚构他的“考古发现”。他说在考古中发现了失落的文明：希腊的paxos小岛。这里的议员通过邮递员传递消息，议会中一个议员提出法案，多数议员批准后法案获得通过。当然无论议员还是邮递员，都是兼职的，他们不可靠，随时可能走人，呵，典型的分布式环境，server可以挂，消息可以丢。Leslie根据考古文献反推出了paxos议会如何搞定法案一致性的问题。发表论文时，Leslie一直用这种语气在写论文，于是《ACM Transactions on Computer Systems》编辑们认为太荒诞了，不能从头到尾虚构故事吧？毕竟是严谨的科学杂志，于是打回。Leslie同学身为牛人，坚持自己的看法，同时认为编辑们没有幽默感，拒绝修改。时间流逝，一晃九年过去，九年后有团队根据该论文开发出一个paxos实现，终于，编辑们低头了，允许发布Leslie的论文，但还是加了段编者著，在其中表示Leslie其实是个热爱计算机技术的考古学家！也算稍事解嘲。
写这两篇文章，我也试了下借喻的手段，用我们熟悉的三国人物，看看能否讲清楚paxos。其实paxos的算法本身算不得很复杂，但如果想讲清楚在各种异常情形下paxos算法的表现，给大家带来的明确的直观感受：paxos确实能解决一致性问题，这就不容易了。所以篇幅所限，只写了丢失一个消息的情况。不过大家如果从头看到这，应该可以简单的任意推导出其他异常吧？
最后，上面说的只是算法机制，如果需要了解现有的各种产品实现，最方便的还是看zookeeper源码，毕竟是开源的，例如去：http://zookeeper.apache.org/doc/r3.3.2/zookeeperOver.html，可以看下概述。淘宝开发团队有许多关于zookeeper实现的文章，到网上搜下就能看到。对google的chubby实现，因为不是开源的，只有篇论文可以看：http://static.googleusercontent.com/external_content/untrusted_dlcp/research.google.com/zh-CN/us/archive/chubby-osdi06.pdf
转自——陶辉：http://blog.csdn.net/russell_tao/article/details/7238783
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