面试题：分布式系统中分布式数据存储一致性协议的原理

Question

请阐述分布式数据存储中常用的一致性协议（如Paxos、Raft）的工作原理，并说明它们在保障数据一致性方面的关键机制。

Answer 1

Paxos工作原理

1. 角色划分：
   • 提案者（Proposer）：提出提案（Proposal），提案内容包含要写入的数据等信息。
   • 接受者（Acceptor）：接受提案，并可以批准（Accept）提案。
   • 学习者（Learner）：从接受者处学习被批准的提案。
2. 提案过程：
   • 准备阶段（Prepare）：提案者选择一个提案编号 n 并向所有接受者发送Prepare请求。接受者接收到Prepare请求后，如果 n 大于它已经响应过的所有Prepare请求的编号，那么它就会向提案者响应一个Promise消息，承诺不再接受编号小于 n 的提案，并返回它已经接受过的编号最大的提案（如果有的话）。
   • 批准阶段（Accept）：提案者在收到多数接受者的Promise消息后，就可以构造一个提案。提案的编号为 n，值要么是它收到的所有承诺消息中编号最大的提案的值（如果有收到承诺消息），要么是它自己想要提议的值。然后提案者将这个提案发送给所有接受者。接受者接收到Accept请求后，如果提案的编号 n 不小于它已经响应过的Prepare请求的编号，它就会接受这个提案并向所有学习者发送Accepted消息。
3. 决议形成：当有一个提案被多数接受者接受时，这个提案就形成了决议，学习者通过接收Accepted消息学习到决议。

Paxos保障数据一致性的关键机制

1. 多数派原则：只有当提案被多数接受者接受时才能形成决议。这样可以避免出现多个冲突的决议，因为不可能同时存在两个不同的提案被两个多数派接受。
2. 提案编号：通过递增的提案编号，保证新提案不会覆盖已形成的决议。如果一个提案编号小于已接受提案的编号，该提案将被拒绝，从而维护一致性。

Raft工作原理

1. 角色划分：
   • 领导者（Leader）：负责接收客户端请求，将日志条目复制到其他节点，并告知其他节点何时可以应用这些日志条目。
   • 跟随者（Follower）：响应领导者的请求，在领导者故障时可以参与选举成为领导者。
   • 候选人（Candidate）：由跟随者转变而来，参与领导者选举。
2. 领导者选举：
   • 当跟随者在一段时间（选举超时时间）内没有收到领导者的心跳（Heartbeat）消息时，它会转变为候选人，并发起选举。候选人会给自己投票，并向其他节点发送RequestVote请求。
   • 其他节点（跟随者）在收到RequestVote请求后，如果满足一定条件（例如候选人的日志至少和自己的一样新），会投票给候选人。
   • 当候选人获得多数节点的投票时，它就成为领导者，并向其他节点发送心跳消息以维持领导地位。
3. 日志复制：
   • 领导者接收客户端的写请求，将请求作为新的日志条目追加到自己的日志中。
   • 领导者通过AppendEntries消息将新的日志条目复制到跟随者节点。跟随者节点在收到AppendEntries消息后，会检查消息中的日志条目是否与自己的日志匹配。如果匹配，就将日志条目追加到自己的日志中，并向领导者发送ACK响应。
   • 当多数节点都复制了某个日志条目时，领导者就可以将该日志条目应用到状态机，并告知客户端操作完成。

Raft保障数据一致性的关键机制

1. 领导者权威：所有的写操作都由领导者处理，跟随者只能复制领导者的日志。这样可以确保所有节点最终应用相同的日志条目，从而保证数据一致性。
2. 日志匹配原则：Raft通过日志条目的索引和任期号来保证日志的一致性。在AppendEntries消息中，领导者会携带前一个日志条目的索引和任期号，跟随者通过检查这些信息来判断日志是否匹配，不匹配时会拒绝该消息，从而避免不一致的日志复制。
3. 选举限制：候选人必须拥有至少和其他节点一样新的日志才能赢得选举，这保证了新的领导者不会覆盖已经被多数节点接受的日志条目，维护了数据一致性。