Basic-Paxos演算法(可以先看後面的實際例子再看前面的具體介紹部分）

Paxos演算法的目的

Paxos演算法的目的是為了解決分散式環境下一致性的問題。

    多個節點併發操縱資料，如何保證在讀寫過程中資料的一致性，並且解決方案要能適應分散式環境下的不可靠性（系統如何就一個值達到統一）

Paxos的兩個元件

Proposer

提議發起者，處理客戶端請求，將客戶端的請求傳送到叢集中，以便決定這個值是否可以被批准。

Acceptor

提議批准者，負責處理接收到的提議，他們的回覆就是一次投票。會儲存一些狀態來決定是否接收一個值

Paxos有兩個原則

1)安全原則---保證不能做錯的事

a） 針對某個例項的表決只能有一個值被批准，不能出現一個被批准的值被另一個值覆蓋的情況；(假設有一個值被多數Acceptor批准了，那麼這個值就只能被學習)

b） 每個節點只能學習到已經被批准的值，不能學習沒有被批准的值。

2)存活原則---只要有多數伺服器存活並且彼此間可以通訊，最終都要做到的下列事情：

a）最終會批准某個被提議的值；

b）一個值被批准了，其他伺服器最終會學習到這個值。

Paxos具體流程圖

第一階段（prepare）

1）.獲取一個proposal number, n；

2）.提議者向所有節點廣播prepare(n)請求；

3）.接收者（Acceptors比較善變，如果還沒最終認可一個值，它就會不斷認同提案號最大的那個方案）比較n和minProposal，如果n>minProposal,表示有更新的提議minProposal=n；如果此時該接受者並沒有認可一個最終值，那麼認可這個提案，返回OK。如果此時已經有一個accptedValue, 將返回(acceptedProposal,acceptedValue)；

4）.提議者接收到過半數請求後，如果發現有acceptedValue返回，表示有認可的提議，儲存最高acceptedProposal編號的acceptedValue到本地

第二階段(Accept)

5）廣播accept(n,value)到所有節點；

6).接收者比較n和minProposal，如果n>=minProposal,則acceptedProposal=minProposal=n，acceptedValue=value，本地持久化後，返回；

否則，拒絕並且返回minProposal

7).提議者接收到過半數請求後，如果發現有返回值>n，表示有更新的提議，跳轉1（重新發起提議）；否則value達成一致。

Paxos議案ID生成演算法

在Google的Chubby論文中給出了這樣一種方法：假設有n個proposer，每個編號為ir(0<=ir<n)，proposal編號的任何值s都應該大於它已知的最大值，並且滿足：

     s %n = ir    =>     s = m*n + ir

    proposer已知的最大值來自兩部分：proposer自己對編號自增後的值和接收到acceptor的拒絕後所得到的值。

例：  以3個proposer P1、P2、P3為例，開始m=0,編號分別為0，1，2。

1） P1提交的時候發現了P2已經提交，P2編號為1 >P1的0，因此P1重新計算編號：new P1 = 1*3+1 = 4；

2） P3以編號2提交，發現小於P1的4，因此P3重新編號：new P3 = 1*3+2 = 5。

Paxos原理

任意兩個法定集合，必定存在一個公共的成員。該性質是Paxos有效的基本保障

活鎖

     當某一proposer提交的proposal被拒絕時，可能是因為acceptor 承諾返回了更大編號的proposal，因此proposer提高編號繼續提交。 如果2個proposer都發現自己的編號過低轉而提出更高編號的proposal，會導致死迴圈，這種情況也稱為活鎖。

       比如說當此時的 proposer1提案是3, proposer2提案是4, 但acceptor承諾的編號是5，那麼此時proposer1,proposer2 都將提高編號假設分別為6,7，並試圖與accceptor連線，假設7被接受了，那麼提案5和提案6就要重新編號提交，從而不斷死迴圈。

異常情況——持久儲存

     在演算法執行的過程中會產生很多的異常情況：proposer宕機，acceptor在接收proposal後宕機，proposer接收訊息後宕機，acceptor在accept後宕機，learn宕機，儲存失敗，等等。

     為保證paxos演算法的正確性，proposer、aceptor、learn都實現持久儲存，以做到server恢復後仍能正確參與paxos處理。

    propose儲存已提交的最大proposal編號、決議編號（instance id）。

    acceptor儲存已承諾（promise）的最大編號、已接受（accept）的最大編號和value、決議編號。

    learn儲存已學習過的決議和編號

具體例項：

假設的3軍問題

1） 1支紅軍在山谷裡紮營，在周圍的山坡上駐紮著3支藍軍；

2） 紅軍比任意1支藍軍都要強大；如果1支藍軍單獨作戰，紅軍勝；如果2支或以上藍軍同時進攻，藍軍勝；

3） 三支藍軍需要同步他們的進攻時間；但他們惟一的通訊媒介是派通訊兵步行進入山谷，在那裡他們可能被俘虜，從而將資訊丟失；或者為了避免被俘虜，可能在山谷停留很長時間；

4） 每支軍隊有1個參謀負責提議進攻時間；每支軍隊也有1個將軍批准參謀提出的進攻時間；很明顯，1個參謀提出的進攻時間需要獲得至少2個將軍的批准才有意義；

5） 問題：是否存在一個協議，能夠使得藍軍同步他們的進攻時間？

接下來以兩個假設的場景來演繹BasicPaxos；參謀和將軍需要遵循一些基本的規則

1） 參謀以兩階段提交（prepare/commit）的方式來發起提議，在prepare階段需要給出一個編號；

2） 在prepare階段產生衝突，將軍以編號大小來裁決，編號大的參謀勝出；

3） 參謀在prepare階段如果收到了將軍返回的已接受進攻時間，在commit階段必須使用這個返回的進攻時間；

兩個參謀先後提議的場景

1） 參謀1發起提議，派通訊兵帶信給3個將軍，內容為（編號1）；

2） 3個將軍收到參謀1的提議，由於之前還沒有儲存任何編號，因此把（編號1）儲存下來，避免遺忘；同時讓通訊兵帶信回去，內容為（ok）；

3） 參謀1收到至少2個將軍的回覆，再次派通訊兵帶信給3個將軍，內容為（編號1，進攻時間1）；

4） 3個將軍收到參謀1的時間，把（編號1，進攻時間1）儲存下來，避免遺忘；同時讓通訊兵帶信回去，內容為（Accepted）；

5） 參謀1收到至少2個將軍的（Accepted）內容，確認進攻時間已經被大家接收；

6） 參謀2發起提議，派通訊兵帶信給3個將軍，內容為（編號2）；

7） 3個將軍收到參謀2的提議，由於（編號2）比（編號1）大，因此把（編號2）儲存下來，避免遺忘；又由於之前已經接受參謀1的提議，因此讓通訊兵帶信回去，內容為（編號1，進攻時間1）；

8） 參謀2收到至少2個將軍的回覆，由於回覆中帶來了已接受的參謀1的提議內容，參謀2因此不再提出新的進攻時間，接受參謀1提出的時間；

兩個參謀交叉提議的場景

1） 參謀1發起提議，派通訊兵帶信給3個將軍，內容為（編號1）；

2） 3個將軍的情況如下

a) 將軍1和將軍2收到參謀1的提議，將軍1和將軍2把（編號1）記錄下來，如果有其他參謀提出更小的編號，將被拒絕；同時讓通訊兵帶信回去，內容為（ok）；

b) 負責通知將軍3的通訊兵被抓，因此將軍3沒收到參謀1的提議；

3） 參謀2在同一時間也發起了提議，派通訊兵帶信給3個將軍，內容為（編號2）；

4） 3個將軍的情況如下

a) 將軍2和將軍3收到參謀2的提議，將軍2和將軍3把（編號2）記錄下來，如果有其他參謀提出更小的編號，將被拒絕；同時讓通訊兵帶信回去，內容為（ok）；

b) 負責通知將軍1的通訊兵被抓，因此將軍1沒收到參謀2的提議；

5） 參謀1收到至少2個將軍的回覆，再次派通訊兵帶信給有答覆的2個將軍，內容為（編號1，進攻時間1）；

6） 2個將軍的情況如下

a) 將軍1收到了（編號1，進攻時間1），和自己儲存的編號相同，因此把（編號1，進攻時間1）儲存下來；同時讓通訊兵帶信回去，內容為（Accepted）；

b) 將軍2收到了（編號1，進攻時間1），由於（編號1）小於已經儲存的（編號2），因此讓通訊兵帶信回去，內容為（Rejected，編號2）；

7） 參謀2收到至少2個將軍的回覆，再次派通訊兵帶信給有答覆的2個將軍，內容為（編號2，進攻時間2）；

8） 將軍2和將軍3收到了（編號2，進攻時間2），和自己儲存的編號相同，因此把（編號2，進攻時間2）儲存下來，同時讓通訊兵帶信回去，內容為（Accepted）；

9） 參謀2收到至少2個將軍的（Accepted）內容，確認進攻時間已經被多數派接受；

10） 參謀1只收到了1個將軍的（Accepted）內容，同時收到一個（Rejected，編號2）；參謀1重新發起提議，派通訊兵帶信給3個將軍，內容為（編號3）；

11） 3個將軍的情況如下

a) 將軍1收到參謀1的提議，由於（編號3）大於之前儲存的（編號1），因此把（編號3）儲存下來；由於將軍1已經接受參謀1前一次的提議，因此讓通訊兵帶信回去，內容為（編號1，進攻時間1）；

b) 將軍2收到參謀1的提議，由於（編號3）大於之前儲存的（編號2），因此把（編號3）儲存下來；由於將軍2已經接受參謀2的提議，因此讓通訊兵帶信回去，內容為（編號2，進攻時間2）；

c) 負責通知將軍3的通訊兵被抓，因此將軍3沒收到參謀1的提議；

12） 參謀1收到了至少2個將軍的回覆，比較兩個回覆的編號大小，選擇大編號對應的進攻時間作為最新的提議；參謀1再次派通訊兵帶信給有答覆的2個將軍，內容為（編號3，進攻時間2）；

13） 將軍1和將軍2收到了（編號3，進攻時間2），和自己儲存的編號相同，因此儲存（編號3，進攻時間2），同時讓通訊兵帶信回去，內容為（Accepted）；

14） 參謀1收到了至少2個將軍的（accepted）內容，確認進攻時間已經被多數派接受；