王麗穎 王紅 劉春漲

【摘要】 本文分析了出現(xiàn)數(shù)據(jù)一致方面的問題，對解決數(shù)據(jù)一致性的paxos算法中存在的主要問題進行了闡述，重點對一個accept與accepted過程只能通過一個議案問題和通過議案的時間受議案的長度影響問題進行了研究。在paxos算法的基礎(chǔ)上，利用proposor提交多個議案編號，結(jié)合議案被服務(wù)器集群過半存儲的前提，對算法進行了改進。測試結(jié)果表明了算法的正確性和合理性。

【關(guān)鍵詞】 paxos算法 一次提交多個議案 過半存儲

一、引言

數(shù)據(jù)一致性問題是分布式領(lǐng)域的經(jīng)典問題，同時也是難點問題[1]。以服務(wù)器為中心的服務(wù)模型下，單點故障會導(dǎo)致服務(wù)器無法對外提供服務(wù)，因此需要引入多臺服務(wù)器。這樣將會帶來數(shù)據(jù)一致性問題，因此必須有一個副本控制協(xié)議來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性。[2]本文的分布式存儲系統(tǒng)由成百上千個設(shè)備組成，若一次只能提交一條議案，引入邏輯時鐘同步是一個巨大的開銷。本文提出的一次提交多個議案編號的方案可以降低該開銷。一次提交多個議案編號的設(shè)計中假若議案編號的議案缺失，會使得系統(tǒng)卡在此編號上，使得服務(wù)器無法運行下一條議案。因此得設(shè)計一個方法保證議案在被批準前時刻存在。

服務(wù)器的服務(wù)能力受其自身網(wǎng)絡(luò)的硬件條件的制約。單臺服務(wù)器所能對外提供的服務(wù)能力是有限路數(shù)的，很多是受帶寬、網(wǎng)卡處理能力的影響，這是典型的單點問題。當單臺服務(wù)器達到服務(wù)能力的上限時，則采用用多臺服務(wù)器來對外提供更強的服務(wù)能力。此時需要解決數(shù)據(jù)的一致性問題。

單點問題的解決方案大多是采用備份以及多服務(wù)器，多服務(wù)器意味著多中心的出現(xiàn)，多個中心如何保證數(shù)據(jù)一致性，以及對外提供更快速的服務(wù)是需首要解決的問題。尤其是互聯(lián)網(wǎng)時代中的各種交易平臺（如果多中心沒有一致會使得業(yè)務(wù)收到影響），達成一致性所用的時間將會影響用戶體驗和平臺的性能。因而，設(shè)計合理的響應(yīng)時間的一致性算法對實際的應(yīng)用來說是有意義的。

本文提出了基于全局邏輯時鐘同步分布式系統(tǒng)一致全局狀態(tài)的一種方法。本文設(shè)計了一個一致性算法并進行了系統(tǒng)仿真。

二、相關(guān)工作

2.1全局時鐘

分布式系統(tǒng)中，全局時鐘需要能對發(fā)生在系統(tǒng)中的事件進行排序。一個時鐘要能用于刻畫事件發(fā)生先后順序，且對于因果序其要滿足的條件：對于任意事件a，b：如果a->b，那么Cfunction（a） < Cfunction （b）。Cfunction定義為一個函數(shù)——為進程中的任意事件a分配編號Cfunction （a）。即：

IR1.每個進程Pi在任意連續(xù)的兩個事件之間會增加Ci的值。

IR2.（a）如果事件a代表了進程Pi發(fā)送消息m的事件，那么消息m包含的時間戳Tm=Ci（a）.

（b）在收到消息m后，進程Pj會設(shè)置Cj的值使得它大于等于它的當前值并大于Tm。[3]

2.2 Paxos算法

Paxos算法分為兩步驟：通過一個決議的過程分為兩個階段[4，5，6]（若是fastpaxos則首先，是leader選舉；其次是通過一個決議[7]）：1.準備階段（prepear，promise），2.批準階段（accept，accepted）。隨著運行paxos算法的機器數(shù)的增多算法達到一致性的時間會延長。還可得知機器數(shù)少，達到一致性的時間更短。Paxos算法通過一條議案的轉(zhuǎn)態(tài)轉(zhuǎn)移如下圖所示：

2.3改進的算法

改進的算法轉(zhuǎn)態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：

我們約定：

1.一個客戶端要執(zhí)行與全局相關(guān)的事件e的時，需要向時鐘系統(tǒng)申請一個編號，之后才能執(zhí)行。來保證e的操作能被其他客戶端收到。

2.定義事件系統(tǒng)為；存儲、記錄以及執(zhí)行全局相關(guān)的所有事件的執(zhí)行順序的系統(tǒng)。事件系統(tǒng)是按照時鐘進行事件推演的。即，將事件系統(tǒng)的推演定義為：整個系統(tǒng)執(zhí)行操作的順序是按照給定的邏輯時鐘編號進行執(zhí)行的，即各個節(jié)點先執(zhí)行C（event1）為1的event1，在執(zhí)行C（event2）為2的event2

3. 進程內(nèi)，進程pi只有執(zhí)行完一條指令，才能提出下一條指令的時鐘申請。

基于paxos算法的分布式時鐘能夠用來為系統(tǒng)運行提供一個時序。各個節(jié)點向該時鐘系統(tǒng)申請執(zhí)行議案，且嚴格的按照paxos時鐘的時序來執(zhí)行。

單個的授時中心是不可靠的，因此需要多個授時中心，但是多個授時中心的時鐘又是難以保證時時刻刻一致只能在一定的精度范圍內(nèi)的保持一致。故為了完成在多節(jié)點的情況下能授給任何節(jié)點相同的時鐘，可以在這些分布式授時中心上運行一致性算法paxos來為事件系統(tǒng)的執(zhí)行提供時鐘協(xié)作信號。從而使得事務(wù)系統(tǒng)中發(fā)生在各個節(jié)點中進程的事件都可以被注冊唯一的編號，即C（event）是唯一的，只要其是經(jīng)過我們的時鐘系統(tǒng)提出了申請。

如何標記議案使得其在全局中是唯一。是一個較易做到的。例如使用自身的IP和PORT可以區(qū)別出本機和本機的其他進程，給議案一個標記step使其在本進程內(nèi)同其他的議案相區(qū)別開，同時使帶step的議案單調(diào)遞增的被本進程執(zhí)行。

本文對這種標記議案使其在全局中唯一的標記定義為ID。

2.4一次提交多個議案的算法的正確性說明

上述算法設(shè)計進程內(nèi)：任意連續(xù)的兩個事件之間會增加Ci的值。.進程間：（a）如果事件a代表了進程Pi發(fā)送消息m的事件，那么消息m包含的時間戳Tm=Ci（a）.（b）在收到消息m后，時鐘系統(tǒng)會設(shè)置Cj的值使得它大于等于它的當前值并大于Tm。

在時鐘系統(tǒng)中的learner中會使得編號單調(diào)遞增。

2.5仿真實驗設(shè)計與實現(xiàn)

實驗環(huán)境

操作系統(tǒng)：ubuntu 15.04

處理器：Xeon E5-2620 ，

主頻：2.00GHz，

內(nèi)存：32GB的服務(wù)器 虛擬12臺機器（每臺1G）。

編程技術(shù)和工具：Linux C、C++。

時鐘系統(tǒng)源碼：libpaxos（開源的），（也可以用SB_ paxos）。

三、結(jié)束語

經(jīng)實驗驗證，采用本文所述策略使得在有大量請求時效率會高于原paxos算法。關(guān)于paxos算法，若通過設(shè)置不同的paxos組可實現(xiàn)不同范圍內(nèi)的同步?？梢酝ㄟ^修改配置文件來構(gòu)建更大范圍的應(yīng)用。所以，下一階段工作是進行利用改進后的paxos算法構(gòu)建應(yīng)用軟件的研究。

參 考 文 獻

[1]周婧，王意潔，阮煒，等. 面向海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)一致性研究[J].計算機科學，2006，33（4）：137-140.

[2]談華芳，孫麗麗，侯紫峰.一種多副本一致性控制方法[J].計算機工程.2006（11）

[3]LAMPORT L.Time，clocks and the ordering of events in a distributed system[J]Commun ACM （CACM）， 1978， 21（7）：558-565

[4]許子燦，吳榮泉.基于消息傳遞的Paxos算法研究[J].計算機工程，2011，37（21）：287-290.

[5] Lamport L. Paxos made simple. ACM SIGACT News 32，4 （Dec.2001），18-25.

[6] LAMPORT L.The partime Pariment[M]. ACM Transaction on Computer Systems，1998，16（2）：133-169.

[7]LAMPORT L. Fast paxos[J].Distributed Computing，2006，2（19）：79-103.