paxos算法基本思想

Paxos算法是一种分布式算法，它的主要目的是实现数据的可靠性和一致性。该算法由普林斯顿大学教授罗伯特·比尔（Leslie Lamport）于1989年提出，并于1998年以他的名字命名。《Lamport之Paxos算法》将该算法推广出来和清晰地描述，该算法可以用于实现数据在分布式系统中的一致性。Paxos算法可以分为三个阶段：提案，投票和执行。

首先，提案阶段由一个“倡导者”（Proposer）来完成。它将根据其初始状态提出提案并发送给每个预备成员。在它收到足够的响应后，它将发出新的提案，同时还将附带一个提案标识符（Proposal ID），以及一个提案值（Proposal Value），它包含预备成员的选择。

其次，发起者在每个预备成员处投票，以便确定最多的一个提案值。此阶段的启动者将询问每个预备成员，每位预备成员根据最后发出的建议，根据提案标识符（Proposal ID）和提案值（Proposal Value ）来对提案发起者的投票。

最后，在投票阶段完成后，执行阶段开始，发起者将发出确认消息，共识已经成立，表示在投票阶段被接受的最多的一个提案值将被采纳为系统的最终状态。

Paxos算法在分布式系统中可以用于管理不一致的情况，它可以保证系统中的所有进程具有同样的状态，即便某个进程是离线状态，也不影响系统的可用性和可靠性。在现实中，许多数据库系统使用Paxos算法来确保数据的一致性，同时使用其他算法来提高系统的性能。数据的一致性是当今服务器的主要任务，而Paxos算法可以有效地实现这一目标，有效地解决这一问题。

paxos算法基本思想

分布式基础之Paxos算法

Lamport在1990年提出了Paxos算法，并给出了理论证明。Paxos算法是基于消息传递且具有高效容错特性的一致性算法，目前公认的解决分布式一致性问题最有效的算法之一。Paxos广泛应用于Google 的 chubby、雅虎的Zookeeper，阿里还推出了Paxos底层库。Google公司Chubby锁的作者Mike Burrows评价说只有一种一致性算法，那就是Paxos。

Paxos算法是莱斯利·兰伯特于1990年提出的一种基于消息传递且具有高度容错特性的一致性算法。

产生背景：在常见的分布式系统中，总会发生节点宕机或网络异常 (包括消息的重复、丢失、延迟、乱序、网络分区) 等情况。Paxos 算法主要就是解决如何在一个发生如上故障的分布式系统中，快速正确的在集群内对某个值达成一致，并且保证整个系统的一致性。

paxos要解决的问题

1、问题与假设
拜占庭帝国想要进攻一个城市，为此派出了10个将军率领10支军队，这个城市足以抵御5支常规拜占庭军队的同时袭击。这10支军队不能集合在一起单点突破，必须在分开的包围状态下同时攻击，至少6支军队同时袭击才能攻下敌国。10支军队分散在敌国的四周，依靠通信兵相互通信来协商进攻意向及进攻时间。这里的问题是，对应于有的主机坏掉了，将军中可能会有叛徒，忠诚的将军希望达成命令的一致（比如约定某个时间一起进攻），但背叛的将军会通过发送错误的消息阻挠忠诚的将军达成命令上的一致。在这种状态下，拜占庭将军们能否找到一种分布式的协议来让他们能够远程协商，从而赢取战斗？

分布式系统中的节点通信存在两种模型：共享内存（Shared memory）和消息传递（Messages passing）。基于消息传递通信模型的分布式系统，不可避免的会发生以下错误：进程可能会慢、被杀死或者重启，消息可能会延迟、丢失、重复，在基础 Paxos 场景中，先不考虑可能出现消息篡改即拜占庭错误的情况。Paxos 算法解决的问题是在一个可能发生上述异常的分布式系统中如何就某个值达成一致，保证不论发生以上任何异常，都不会破坏决议的一致性。（一个典型的场景是，在一个分布式数据库系统中，如果各节点的初始状态一致，每个节点都执行相同的操作序列，那么他们最后能得到一个一致的状态。为保证每个节点执行相同的命令序列，需要在每一条指令上执行一个“一致性算法”以保证每个节点看到的指令一致。一个通用的一致性算法可以应用在许多场景中，是分布式计算中的重要问题。）

为描述Paxos算法，Lamport虚拟了一个叫做Paxos的希腊城邦，这个岛按照议会民主制的政治模式制订法律，但是没有人愿意将自己的全部时间和精力放在这种事情上。所以无论是议员，议长或者传递纸条的服务员都不能承诺别人需要时一定会出现，也无法承诺批准决议或者传递消息的时间。但是这里假设没有拜占庭将军问题（Byzantine failure，即虽然有可能一个消息被传递了两次，但是绝对不会出现错误的消息）；只要等待足够的时间，消息就会被传到。另外，Paxos岛上的议员是不会反对其他议员提出的决议的。对应于分布式系统，议员对应于各个节点，制定的法律对应于系统的状态。各个节点需要进入一个一致的状态，一致性要求对应于法律条文只能有一个版本。议员和服务员的不确定性对应于节点和消息传递通道的不可靠性。

2、paxos算法
角色划分：首先将议员的角色分为 proposers，acceptors，和 learners（允许身兼数职）。proposers 提出提案，提案信息包括提案编号和提议的 value；acceptor 收到提案后可以接受（accept）提案，若提案获得多数派（majority）的 acceptors 的接受，则称该提案被批准（chosen）；learners 只能“学习”被批准的提案

角色划分

算法前置条件：

1、决议（value）只有在被 proposers 提出后才能被批准（未经批准的决议称为“提案（proposal）”）；
2、在一次 Paxos 算法的执行实例中，只批准（chosen）一个 value；
3、learners 只能获得被批准（chosen）的 value。

算法内容：首先选出一个leader（也就是proposer），proposer提出一个提案前，首先要和足以形成多数派的acceptors进行通信，获得他们进行的最近一次接受（accept）的提案（prepare过程），之后根据回收的信息决定这次提案的value，形成提案开始投票。当获得多数acceptors接受（accept）后，提案获得批准（chosen），由acceptor将这个消息告知learner。这个简略的过程经过进一步细化后就形成了Paxos算法。算法执行步骤：

1、选择一个节点成为leader/proposer。
2、leader选择一个值，发送到所有的节点（Paxos中称之为acceptor），这个消息被称为“接受请求”消息。acceptor可以回应接受或拒绝。
3、一旦节点中的大多数回应接受，共识就能达成，协调者将“提交”消息发送到所有节点

1、什么是 Paxos 算法

Paxos算法是一种用于分布式系统中实现一致性的算法。它由Leslie Lamport于1990年提出，被广泛应用于分布式系统中的一致性问题，如分布式数据库、分布式存储系统等。

Paxos算法的目标是在一个由多个节点组成的分布式系统中，就某个值达成一致性。该算法通过多个阶段的消息交换和投票来实现一致性。

Paxos算法的基本思想是通过多个阶段的提议和接受来达成一致性。算法中的节点分为提议者（proposer）、接受者（acceptor）和学习者（learner）。提议者负责提出值的提案，接受者负责接受提案并投票，学习者负责学习已经达成一致的值。

Paxos算法的执行过程可以简要概括为以下几个步骤：

提案阶段（Prepare Phase）：提议者向接受者发送准备请求，接受者根据请求的编号决定是否接受该提案。
接受阶段（Accept Phase）：如果接受者接受了提案，它会向其他接受者发送接受请求，请求包含了接受的提案编号和值。
学习阶段（Learn Phase）：一旦一个提案被足够多的接受者接受，学习者就可以学习到该提案的值。
Paxos算法通过多轮的消息交换和投票，保证了分布式系统中的节点最终能够达成一致的值。它具有高度的容错性和可扩展性，能够应对节点故障和网络延迟等问题。

需要注意的是，Paxos算法本身比较复杂，理解和实现起来都有一定的难度。因此，通常会使用一些基于Paxos算法的库或框架来简化分布式系统中的一致性实现，如ZooKeeper、etcd等。

2、Paxos 算法的优缺点
Paxos算法作为一种分布式一致性算法，具有以下优点：

容错性：Paxos算法能够容忍节点故障和网络延迟等问题，即使系统中的一部分节点出现问题，仍然能够保证一致性。

可扩展性：Paxos算法能够适应不同规模的分布式系统，无论是几个节点还是成百上千个节点，都能够保证一致性。

单一决策：Paxos算法能够确保在分布式系统中只有一个值被接受和学习，避免了冲突和混乱。

然而，Paxos算法也存在一些缺点：

复杂性：Paxos算法本身比较复杂，理解和实现起来都有一定的难度，需要对算法细节有深入的了解。

性能开销：由于Paxos算法需要多轮的消息交换和投票，会引入一定的性能开销，特别是在网络延迟较高的情况下。

可理解性：Paxos算法的理论基础较为抽象，对于一般开发人员来说，理解算法的原理和实现可能会有一定的困难。

综上所述，Paxos算法是一种强大的分布式一致性算法，但在实际应用中需要权衡其复杂性和性能开销，并结合具体场景进行选择和使用。

3、Paxos 算法的应用场景
Paxos算法可以应用于各种需要保证分布式系统一致性的场景，包括但不限于以下几个方面：

分布式数据库：在分布式数据库系统中，Paxos算法可以用于保证不同节点之间的数据一致性，确保数据的正确性和完整性。

分布式存储系统：在分布式存储系统中，Paxos算法可以用于协调多个节点之间的数据复制和同步，确保数据在不同节点之间的一致性。

分布式事务处理：在分布式事务处理中，Paxos算法可以用于协调不同节点之间的事务提交和回滚，确保事务的一致性和可靠性。

分布式协调服务：在分布式系统中，Paxos算法可以用于实现分布式协调服务，如分布式锁、分布式队列等，确保不同节点之间的操作顺序和一致性。

分布式一致性存储：在分布式一致性存储系统中，Paxos算法可以用于实现数据的复制和同步，确保不同节点之间的数据一致性。

需要注意的是，Paxos算法虽然可以应用于各种分布式系统场景，但在实际应用中需要根据具体需求和系统特点进行适当的调整和优化，以提高性能和可扩展性。

4、Paxos 算法应用的分布式组件
Paxos算法是一种用于分布式系统中实现一致性的算法，它并不是一个具体的分布式组件。然而，Paxos算法可以被应用于分布式系统中的各种组件和模块，以实现分布式一致性。以下是一些常见的应用Paxos算法的分布式组件：

分布式一致性存储：使用Paxos算法来实现分布式存储系统中的数据一致性，例如Google的Spanner和CockroachDB。

分布式数据库：将Paxos算法应用于分布式数据库系统中，以实现多副本之间的数据一致性，例如Apache Cassandra和Amazon DynamoDB。

分布式事务处理：使用Paxos算法来实现分布式事务的协调和一致性，例如Google的Percolator和TiDB。

分布式日志系统：使用Paxos算法来实现分布式日志系统中的日志复制和一致性，例如Apache Kafka和Apache BookKeeper。

分布式共识算法：将Paxos算法应用于分布式共识算法中，以实现多个节点之间的一致性决策，例如Raft算法和ZooKeeper。

这些组件使用Paxos算法作为其核心机制，以实现分布式环境下的一致性和可靠性。然而，实际的分布式系统中可能会结合多种不同的组件和算法来实现各种功能和需求。

5、Paxos 算法的原理
Paxos算法是一种分布式一致性算法，用于解决在分布式系统中多个节点之间达成一致的问题。它由Leslie Lamport在1990年提出，被广泛应用于各种分布式系统中。

Paxos算法的核心原理可以概括为以下几个步骤：

提议阶段（Prepare Phase）：一个节点（称为提议者）向其他节点（称为接受者）发送一个提议编号（proposal number）。提议编号由两部分组成：一个提议编号和一个唯一标识符。接受者收到提议后，会比较提议编号，并根据一定规则进行回应。

接受阶段（Accept Phase）：如果提议者收到了多数接受者的回应，表示提议者的提议编号被接受。然后，提议者会发送一个接受请求给其他节点，包含提议编号和提议的值。接受者收到请求后，会比较提议编号，并根据一定规则决定是否接受该提议。

学习阶段（Learn Phase）：如果一个提议被多数节点接受，那么这个提议的值就被确定下来。节点会将这个值学习到本地，并告知其他节点。

Paxos算法的关键是通过多轮的消息交换和投票，保证了多个节点之间的一致性。在算法的过程中，每个节点都可以充当提议者和接受者的角色，通过投票和回应的方式达成共识。

需要注意的是，Paxos算法本身比较复杂，还有一些优化和变种的实现方式。在实际应用中，需要根据具体的场景和需求进行适当的调整和改进。

paxos算法基本思想

本文来源： Dune Analytics

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