分布式架构学习(三)-一致性协议理论

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分布式架构学习(三)-一致性协议(2PC,3PC)

为了解决分布式一致性的问题,其中最著名的就是两阶段提交协议(2PC),三阶段提交协议(3PC),paxos算法Raft算法

2PC和3PC协议

在分布式系统中,每一个机器节点虽然都能够明确地知道自己在进行事务操作过程中的结果是成功或失败,但却无法直接获取到其他分布式节点的操作结果。因此,当一个事务操作需要跨越多个分布式节点的时候,为了保持事务处理的ACID特性,就需要引入一个称为“协调者(Coordinator)”的组件来统一调度所有分布式节点的执行逻辑,这些被调度的分布式节点则被称为“参与者”(Participant)。协调者负责调度参与者的行为,并最终决定这些参与者是否要把事务真正进行提交。基于这个思想,衍生出了二阶段提交和三阶段提交两种协议。

什么是2PC?

2PC ( Two-Phase Commit缩写)即两阶段提交协议,是将整个事务流程分为两个阶段,准备阶段(Prepare
phase)、提交阶段(commit phase),2是指两个阶段,P是指准备阶段,C是指提交阶段。在计算机中部分关系数据库如Oracle、MySQL支持两阶段提交协议.

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准备阶段

  1. 事务询问。
    协调者向所有的参与者发送事务内容,询问是否可以执行事务提交操作,并开始等待各参与者的响应。
  2. 执行事务。
    各参与者节点执行事务操作,并将Undo和Redo信息记入事务日志中。
  3. 各参与者向协调者反馈事务询问的响应。

如果参与者成功执行了事务操作,那么就反馈给协调者 Yes 响应,表示事务可以执行;如果参与者没有成功执行事务,那么就反馈给协调者No响应,表示事务不可以执行。

由于上面讲述的内容在形式上近似是协调者组织各参与者对一次事务操作的投票表态过程,因此二阶段提交协议的阶段一也被称为“投票阶段”,即各参与者投票表明是否要继续执行接下去的事务提交操作。

提交阶段

根据阶段一的投票结果判断是否要进行提交事务或者中断事务

提交事务:所有的参与者获得反馈都是YES响应

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  1. 发送提交请求

    协调者向所有的参与者节点发出Commit请求

  2. 事务提交

    参与者接收到Commit请求后,会正式执行事务提交操作,并在完成提交之后释放在整个事务执行期间所占用的事务资源

  3. 反馈事务提交结果

    参与者在完成事务提交之后,向协调者发送ACK消息

  4. 完成事务

    协调者接收到所有参与者反馈的ACK消息后,完成事务。

    中断事务:假如任何一个参与者向协调者反馈了No响应,或者在等待超时之后,协调者尚无法接收到所有参与者的反馈响应,那么就会中断事务。

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  1. 发送回滚请求

    协调者向所有参与者节点发出Rollback请求

  2. 事务回滚

    参与者接收到Rollback请求后,会利用其在阶段一中记录的Undo信息来执行事务回滚操作,并在完成回滚之后释放占用的事务资源

  3. 反馈事务回滚结果

    参与者完成事务回滚之后,向协调者发送ACK消息

  4. 中断事务

    协调者接收到所有参与者反馈的ACK消息后,完成事务中断


2PC的优缺点

二阶段提交协议的优点:原理简单,实现方便

缺点:同步阻塞,单点问题,脑裂,太过保守

同步阻塞

二阶段提交协议存在的最明显也是最大的一个问题就是同步阻塞,这会极大地限制分布式系统的性能。在二阶段提交的执行过程中,所有参与该事务操作的逻辑都处于阻塞状态,也就是说,各个参与者在等待其他参与者响应的过程中,将无法进行其他任何操作。

单点问题

协调者在整个二阶段提交过程中很重要,如果协调者在提交阶段出现问题,那么整个流程将无法运转,更重要的是:其他参与者将会处于一直锁定事务资源的状态中,而无法继续完成事务操作。

数据不一致

假设当协调者向所有的参与者发送 commit 请求之后,发生了局部网络异常或者是协调者在尚未发送完所有commit 请求之前自身发生了崩溃,导致最终只有部分参与者收到了 commit 请求。这将导致严重的数据不一致问题。

过于保守

如果在二阶段提交的提交询问阶段中,参与者出现故障而导致协调者始终无法获取到所有参与者的响应信息的话,这时协调者只能依靠其自身的超时机制来判断是否需要中断事务,显然,这种策略过于保守。换句话说,二阶段提交协议没有设计较为完善的容错机制,任意一个节点失败都会导致整个事务的失败。

什么3PC?

3PC,全称 “three phase commit”,是 2PC 的改进版,将 2PC 的 “提交事务请求” 过程一分为二,共形成了由CanCommit、PreCommit和doCommit三个阶段组成的事务处理协议。

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阶段一:CanCommit

  1. 事务询问

    协调者向所有的参与者发送一个包含事务的canCommit请求,询问是否可以执行事务提交操作,并开始等待各参与者的响应

  2. 各参与者向协调者反馈事务询问的响应

    参与者在接收到来自协调者的canCommit请求后,正常情况下,如果认为可以顺利执行事务,那么会反馈Yes响应,并进入准备状态,否则反馈No响应

阶段二:PreCommit

​ 在阶段二中,协调者会根据参与者的反馈情况来决定是否可以进行事务的PreCommit操作,正常情况下,包含两种可能。

执行事务预提交:假如协调者从所有的参与者获得的反馈都是Yes响应,那么就会执行事务预提交

  1. 发送预提交请求

    协调者向所有参与者发送preCommit请求,并进入Prepared阶段

  2. 事务预提交

    参与者接收到preCommit请求后,会执行事务操作,并将Undo和Redo信息记录到事务日志中

  3. 各参与者向协调者反馈事务执行的响应

    如果参与者成功的执行了事务操作,那么就会反馈给协调者ACK响应,同时等待最终的指令:提交或者终止

中断事务:假如任何一个参与者向协调者反馈了No响应,或者在等待超时之后,协调者尚无法接收到所有参与者的反馈响应,那么就会中断事务。

  1. 发送中断请求。

    协调者向所有参与者节点发出abort请求。

  2. 中断事务

    无论是收到来自协调者的abort请求,或者是在等待协调者请求过程中出现超时,参与者都会中断事务。

阶段三:doCommit

该阶段将进行真正的事务提交,会存在以下两种可能的情况。

执行事务提交

  1. 发送提交请求

    如果协调者收到了所有大参与者的ACK响应,那么它将从预提交状态转换到提交状态,并向所有的参与者发送doCommit请求

  2. 事务提交

    参与者接收到doCommit请求后,会正式执行事务提交操作,并在完成提交之后释放整个事务执行期间占用的事务资源

  3. 反馈事务提交结果

    参与者在完成事务提交之后,向协调者发送ACK消息

  4. 完成事务

    协调者接收到所有参与者反馈的ACK消息后,完成事务

中断事务

任意一个参与者向协调者反馈了NO响应,或者在等待超时之后,协调者尚未接收到所有参与者的反馈,那么就会执行中断事务。

  1. 发送中断请求

    协调者向所有的参与者节点发送abort请求

  2. 事务回滚

    参与者接收到abort请求后,会利用其在阶段二中记录的Undo信息来执行事务回滚操作,并在完成回滚之后释放在整个事务期间占用的资源

  3. 反馈事务回滚结果

    参与者在完成事务回滚之后,向协调者发送ACK消息

  4. 中断事务

    协调者接收到所有参与者反馈的ACK消息后,中断事务。

    一旦进入阶段三,可能会存在以下两种故障:

    • 协调者和参与者之前的网络出现故障
    • 协调者出现问题

    无论出现哪种情况,最终都会导致参与者无法及时接收到来自协调者的doCommit或者是abort请求,针对这样的异常情况,参与者在等待超时之后,都会进行事务提交


三阶段提交协议的优点:相较于二阶段提交协议,三阶段提交协议最大的优点就是降低了参与者的阻塞范围,并且能够在出现单点故障后继续达成一致。

三阶段提交协议的缺点:三阶段提交协议在去除阻塞的同时也引入了新的问题,那就是在参与者接收到preCommit消息后,如果网络出现分区,此时协调者所在的节点和参与者无法进行正常的网络通信,在这种情况下,该参与者依然会进行事务的提交,这必然出现数据的不一致性。