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大數(shù)據(jù)資訊

分布式一致性算法:可能比你想象得更復(fù)雜

1.分布式系統(tǒng)的難題

張大胖遇到了一個(gè)難題。

他們公司的有個(gè)服務(wù)器,上面保存著寶貴的數(shù)據(jù),領(lǐng)導(dǎo)Bill 為了防止它掛掉, 要求張大胖想想辦法把數(shù)據(jù)做備份。

張大胖發(fā)揮了抽象的能力,在腦海里浮出了這么一個(gè)畫面, 這個(gè)唯一的機(jī)器可以成為一個(gè)節(jié)點(diǎn):

為了提高可用性,可以增加幾臺機(jī)器,通過局域網(wǎng)連接起來,形成一個(gè)了分布式的系統(tǒng):

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數(shù)據(jù)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都存放一份不就可以高枕無憂了?

可張大胖很快發(fā)現(xiàn)這不是一件容易的事情,比如每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保存著一個(gè)賬戶的余額100元,現(xiàn)在有人通過節(jié)點(diǎn)A向該賬戶增加了20元, 還有人通過節(jié)點(diǎn)B向該賬戶減去了30元。

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現(xiàn)在余額到底是多少呢?

為了保持一致性, 節(jié)點(diǎn)A得把"余額加上20"這樣的消息發(fā)給B, C , 節(jié)點(diǎn)B得把“余額減去30”這樣的消息發(fā)送到A, C, 如果網(wǎng)絡(luò)出了問題,消息沒有發(fā)送到別的節(jié)點(diǎn), 或者某個(gè)節(jié)點(diǎn)干脆壞掉了,那數(shù)據(jù)極有可能出現(xiàn)不一致。

如果用戶在這個(gè)不一致的系統(tǒng)上繼續(xù)操作,很快就會(huì)陷入混亂。

2.誰來當(dāng)老大?

張大胖想了半天,覺得不能這么無序地操作,得給這三個(gè)節(jié)點(diǎn)找個(gè)“老大”。

所有的操作都通過“老大”來進(jìn)行,然后讓老大把消息發(fā)給各個(gè)“小弟”。

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可是誰來當(dāng)老大呢?  還有,這個(gè)老大如果掛掉了怎么辦?

可以手工地調(diào)整, 例如節(jié)點(diǎn)A掛掉了, 就手工地讓節(jié)點(diǎn)B當(dāng)“老大” , 讓節(jié)點(diǎn)C當(dāng)“小弟”。

但是這就有點(diǎn)麻煩了,能不能自動(dòng)化地來實(shí)現(xiàn)?

這個(gè)問題很有意思, 張大胖入了迷,繼續(xù)深入思考: 建立一個(gè)競選的機(jī)制, 就讓他們競爭上崗吧。

初始情況下,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是候選人, 都可以向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)起投票邀請,讓大家投自己,如果獲得的投票數(shù)過半,就可以當(dāng)“老大”了。

為了避免大家同時(shí)發(fā)起投票邀請,可以給每個(gè)節(jié)點(diǎn)都分配一個(gè)隨機(jī)的“選舉超時(shí)時(shí)間”(election timeout),通俗來講就是一個(gè)等待時(shí)間,在這段時(shí)間內(nèi),一個(gè)節(jié)點(diǎn)必須耐心等待,過了這段時(shí)間,才可以競爭上崗,美國服務(wù)器租用,爭當(dāng)老大。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)計(jì)時(shí)器,從0開始計(jì)時(shí),誰的等待時(shí)間到了, 就率先發(fā)起競選,給其他節(jié)點(diǎn)打電話,要求他們投票讓自己成為老大。

比如節(jié)點(diǎn)A等待170ms , 節(jié)點(diǎn)B等待200ms ,  節(jié)點(diǎn)C等待250ms 。

由于節(jié)點(diǎn)A的等待時(shí)間最短, 會(huì)捷足先登, 它先增加自己的任期(Term),這是一個(gè)整數(shù),初始值為0 , 然后給自己投了一票,然后打電話給節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C,要求他們都投它。

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節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C收到了投票要求,如果自己還沒有發(fā)起競選投票(等待時(shí)間未到),那只好同意節(jié)點(diǎn)A當(dāng)老大,與此同時(shí)要重置自己的計(jì)時(shí)器,重新從0開始計(jì)時(shí),也就是說重新開始新一輪的等待。

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節(jié)點(diǎn)A得知其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同意了,投票計(jì)數(shù)變?yōu)?,已經(jīng)過了半數(shù), 就明白自己可以當(dāng)老大了。

節(jié)點(diǎn)A成為老大后,開始向節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C定時(shí)發(fā)送消息,B,C收到消息后也要回應(yīng),維持心跳。

B和C每次收到心跳消息,都得重置自己的計(jì)時(shí)器, 重新從0開始計(jì)數(shù)。

此時(shí)節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C就成了“小弟”。

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如果節(jié)點(diǎn)A 不幸掛掉,節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C在自己的等待時(shí)間內(nèi)收不到心跳消息,他們兩個(gè)就會(huì)重新競爭上崗。

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上圖中節(jié)點(diǎn)C占據(jù)了先機(jī),率先發(fā)起競選投票。

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節(jié)點(diǎn)B慢了一步, 無奈中同意支持節(jié)點(diǎn)C ,  節(jié)點(diǎn)C獲得了超過半數(shù)的支持,成為“老大” ,  節(jié)點(diǎn)B成為“小弟”。

(可能有人會(huì)想到:節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C 同時(shí)發(fā)起競選投票,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的投票計(jì)數(shù)都是1 ,都過不了半數(shù),  該怎么處理呢? 很簡單,再次發(fā)起一輪競選投票即可,當(dāng)然為了防止B和C一直同時(shí)發(fā)起競選投票,從而陷入無限循環(huán),要重置一個(gè)隨機(jī)的等待時(shí)間。)

投票過半數(shù)很重要,張大胖想,只有這樣才能保證“老大”節(jié)點(diǎn)的唯一性。

對于每個(gè)節(jié)點(diǎn),處理流程其實(shí)非常簡單:

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3.數(shù)據(jù)的復(fù)制

張大胖費(fèi)了半天勁,終于把分布式系統(tǒng)中怎么自動(dòng)地選取“老大”節(jié)點(diǎn)給確定了。

接下來就是要把發(fā)給“老大”的數(shù)據(jù),想辦法復(fù)制到“小弟”的節(jié)點(diǎn)上。 該怎么處理?

由于是分布式的,只有大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都成功地保存了數(shù)據(jù),才算保存成功。

所以那個(gè)“老大”節(jié)點(diǎn)必須得承擔(dān)起協(xié)調(diào)的職責(zé)。

張大胖想了一個(gè)復(fù)制日志的辦法:  每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)日志的隊(duì)列。

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在真正把數(shù)據(jù)提交之前,先把數(shù)據(jù)追加到日志隊(duì)列中,然后向個(gè)“小弟”復(fù)制。

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1.  客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)A (“老大”)。

節(jié)點(diǎn)A 先把數(shù)據(jù)記錄到日志中,即此時(shí)處于“未提交狀態(tài)”

2. 在下一次的心跳消息中, 數(shù)據(jù)被發(fā)送給各個(gè)“小弟”。

3. 各個(gè)“小弟” 也把數(shù)據(jù)記錄到日志中(也處于未提交狀態(tài)),然后向“老大”報(bào)告自己已經(jīng)記錄了日志。

4. 如果節(jié)點(diǎn)A收到響應(yīng)超過了半數(shù), 節(jié)點(diǎn)A就提交數(shù)據(jù),通知客戶端數(shù)據(jù)保存成功。

5. 節(jié)點(diǎn)A在下一次心跳消息中,通知各個(gè)“小弟”該數(shù)據(jù)已經(jīng)提交。各個(gè)“小弟”也提交自己的數(shù)據(jù)。

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