一致性算法—Paxos、Raft、ZAB

写在前面

1、分布式系统对fault tolerence的一般解决方案是state machine replication（状态机复制）。
2、分布式一致性算法的一种更准确的说法应该是：state machine replication的共识（consensus）算法。
3、pasox其实是一个共识算法。系统的最终一致性，不仅需要达成共识，还会取决于client的行为。
4、分布式系统中有多个节点就会存在节点间通信的问题，存在着两种节点通讯模型：共享内存（Shared memory）、消息传递（Messages passing），以下谈到的算法都是基于消息传递的通讯模型的。它的假设前提是，在分布式系统中进程之间的通信会出现丢失、延迟、重复等现象，但不会出现传错的现象。以下的算法就是为了保证在这样的系统中进程间基于消息传递就某个值达成一致。

一、一致性概述

当前工业实际应用中的一致性模型分类

1.1、弱一致性（最终一致性）

DNS（Domain Name System）
Gossip（Cassandra、Redis的通信协议）

1.2、强一致性

大体可分两类：

1.2.1、主从同步

基本思想：
主从同步复制：
1、Master接受写请求
2、Master复制日志至slave
3、Master等待，直到所有从库返回

存在的问题:
一个节点失败，Master阻塞，导致整集群不可用，保证了一致性，可用性大大降低

1.2.2、多数派

基本思想：
每次写都保证写入大于N/2个节点，每次读保证从大于N/2个节点中读。

相关算法：
Paxos
Raft（multi-paxos）
ZAB（multi-paxos）

二、Pasox

Paxos算法是莱斯利·兰伯特(Leslie Lamport)1990年提出的一种基于消息传递的一致性算法。
Paxos的发展分类：Basic Paxos、Multi Paxos、Fast Paxos

2.1、Basic Paxos

2.1.1、角色介绍

Client： 系统外部角色，请求发起者。像民众
Proposer： 接受Client请求，向集群提出提议（propose），并在冲突发生时，起到冲突调解的作用。像议员，替民众提出议案
Acceptor：提议投票和接受者，只有在形成法定人数（Quorum，一般即为majority-多数派）时，提议才会最终被接受。像国会
Learner：提议接受者，backup-备份，对集群一致性没什么影响。像记录员

2.1.2、步骤、阶段（phases）

1、Phase 1a：Prepare
proposer提出一个**提议，编号为N，**此N大于这个proposer之前提出的提案编号。请求acceptors的quorum接受。
2、 Phase 1b：Promise
如果N大于此acceptor之前接受的任何提案编号则接受，否则拒绝。
3、Phase 2a：Accept
如果达到了多数派，proposer会发出 accept请求，此请求包含提案编号N，以及提案内容。
4、Phase 2b：Accepted
如果此acceptor在此期间没有收到任何编号大于N的提案，则接受此提案内容，否则忽略。

2.1.3、基本流程

2.1.3.1、正常流程

there is 1 Client, 1 Proposer, 3 Acceptors (i.e. the Quorum size is 3) and 2 Learners (represented by the 2 vertical lines).

This diagram represents the case of a first round, which is successful (i.e. no process in the network fails).

Client   Proposer      Acceptor     Learner  
   |         |          |  |  |       |  |
   X-------->|          |  |  |       |  |  Request
   |         X--------->|->|->|       |  |  Prepare(1)
   |         |<---------X--X--X       |  |  Promise(1,{Va,Vb,Vc})
   |         X--------->|->|->|       |  |  Accept!(1,V)
   |         |<---------X--X--X------>|->|  Accepted(1,V)
   |<---------------------------------X--X  Response
   |