面试题：如何设计一个新的分布式事务协议来避免2PC的同步阻塞问题且兼顾数据一致性

Question

请从底层原理、消息交互流程、异常处理机制等方面详细描述新协议的设计。同时对比新设计的协议与2PC、3PC等常见协议在性能、一致性、容错性等关键指标上的差异。

Answer 1

新协议设计

底层原理

1. 基本概念：新协议旨在解决分布式系统中数据一致性和协调问题。它基于分布式系统的消息传递机制，通过节点之间交换特定格式的消息来达成状态同步和操作协调。
2. 核心机制：采用类似于状态机复制的原理，每个节点维护一个状态机，通过接收和处理消息，将状态机推进到下一个状态。例如，节点接收到一条更新数据的消息，根据协议规则验证消息合法性后，更新本地状态机中的数据状态。

消息交互流程

1. 请求发起：客户端向协调者节点发送操作请求，如数据更新请求。请求消息包含操作类型、数据内容等必要信息。
2. 协调者广播：协调者接收到请求后，将请求广播到所有参与者节点。广播消息包含请求内容以及一个全局唯一的事务标识。
3. 参与者响应：参与者节点接收到广播消息后，对请求进行本地预执行。如果预执行成功，向协调者发送预确认消息；若预执行失败，则发送预拒绝消息。
4. 协调者决策：协调者收集所有参与者的响应消息。若所有参与者都发送预确认消息，则向所有参与者发送确认提交消息；否则，发送回滚消息。
5. 最终执行：参与者接收到确认提交消息后，正式执行操作；接收到回滚消息，则撤销预执行的操作。

异常处理机制

1. 网络异常：
   • 消息丢失：若协调者未收到某个参与者的预确认或预拒绝消息，设置一个超时时间。超时后，重新向该参与者发送请求消息。
   • 网络分区：当发生网络分区，协调者和部分参与者失联。此时，协调者等待网络恢复。若在一定时间内网络恢复，继续按照正常流程处理；若超时未恢复，协调者判定事务失败，向已联系到的参与者发送回滚消息。
2. 节点故障：
   • 协调者故障：系统中设置备用协调者。当主协调者故障时，备用协调者接替工作，从故障前记录的日志中恢复事务状态，继续处理未完成的事务。
   • 参与者故障：若参与者在预执行后故障，恢复后根据协调者后续发送的消息（确认提交或回滚）完成相应操作。若参与者在预执行前故障，协调者在超时后重新向其发送请求。

与 2PC、3PC 对比

性能

1. 新协议：性能介于 2PC 和 3PC 之间。相比 2PC，新协议增加了预执行阶段的一些额外处理，但减少了 3PC 中准备阶段到预提交阶段的额外消息交互，在网络状况良好时，整体性能优于 3PC。
2. 2PC：性能相对较高，因为消息交互流程简单，只有准备和提交两个阶段。但在网络不稳定或节点故障时，可能因长时间等待导致性能下降。
3. 3PC：性能相对较低，由于多了一个预提交阶段，消息交互次数增多，增加了网络开销和处理延迟。

一致性

1. 新协议：通过预执行和确认提交机制，保证在正常情况下所有节点对事务的执行结果一致。在异常情况下，通过日志恢复和超时机制，尽力保证数据一致性，但在极端网络分区场景下，可能出现短暂的数据不一致，不过最终能达成一致。
2. 2PC：在正常情况下能保证一致性，但在协调者故障且未完成日志记录时，可能导致参与者状态不一致，出现数据不一致问题。
3. 3PC：相比 2PC，3PC 增加了预提交阶段，降低了协调者故障导致数据不一致的概率，一致性保障更强。但在网络分区等极端情况下，仍可能出现短暂不一致。

容错性

1. 新协议：具备较好的容错性，能处理协调者和参与者的故障以及网络异常。通过备用协调者、日志恢复和超时重传机制，在一定程度上保障系统在故障情况下的可用性和数据一致性。
2. 2PC：容错性较差，协调者单点故障可能导致事务无法继续进行，参与者可能因长时间等待协调者指令而处于阻塞状态，影响系统可用性。
3. 3PC：容错性优于 2PC，由于引入了预提交阶段和超时机制，减少了参与者的阻塞时间，在协调者故障时，参与者能根据超时机制做出相应决策，提高了系统的容错能力。