分布式一致性协议【2PC和3PC】

2PC协议

　　为了解决大型分布式/微服务系统中的强一致性问题，业界比较流行的做法是采用比较著名的有二阶提交协议（2 Phase Commitment Protocol）和三阶提交协议（3 PhaseCommitment Protocol）。考虑到性能问题，三阶段提交协议目前较少被采用。本文也主要介绍二阶段协议。

　　二阶段提交算法的成立基于以下假设：

• 该分布式系统中，存在一个节点作为协调者(Coordinator)，其他节点作为参与者(Cohorts)。且节点之间可以进行网络通信。
• 所有节点都采用预写式日志，且日志被写入后即被保持在可靠的存储设备上，即使节点损坏不会导致日志数据的消失。
• 所有节点不会永久性损坏，即使损坏后仍然可以恢复

 

 

      

 

　　第一阶段：称为准备(prepare)阶段。事务协调者向各个服务应用发送prepare请求，服务应用在得到请求后做预处理操作，预处理可能是做预检查，也可能是把请求临时存储，可以理解为是一种试探性地提交。下面是一般的步骤：

　　a.事务协调者会问所有的参与者服务，是否可以提交操作。

　　b.各个参与者开始事务执行的准备工作：如资源上锁，预留资源，写回滚/重试的log。

　　c.参与者响应协调者，如果事务准备工作成功，则回应“可以提交”，否则回应拒绝提交。

　　第二阶段：称为提交(commit)/回滚(rollback)阶段。是指事务真正提交或者回滚的阶段。下面是具体步骤：

　　a.如果所有的参与者都回应“可以提交”，那么协调者向所有参与者发送“正式提交”的命令。参与者完成正式提交，并释放所有资源，然后回应“完成”，协调者收集各个服务的“完成”回应后结束事务。

　　b.如果有一个参与者回应“拒绝提交”，那么协调者向所有的参与者发送“回滚操作”，并释放所有的资源，然后回应“回滚完成”，协调者收集各个服务应用的“回滚”返回后，取消整体的分布式事务。

　　二阶段提交主要缺点如下：

　　a.单点问题：协调者在整个二阶段中的作用非常重要，一旦部署协调者组件服务的节点出现不可用宕机情况，那么会影响整个分布式系统的正常运行，解决单点需要额外的HA备机进行容错。

　　b.同步阻塞：二阶段提交执行过程中，所有服务参与者需要服从协调者的统一调度，期间处于阻塞状态，会一定程度上影响整个系统的效率；并且所有参与者需要额外指定超时机制。

　　c.二阶段无法解决的问题：协调者再发出commit消息之后宕机，而唯一接收到这条消息的参与者同时也宕机了。那么即使协调者通过选举协议产生了新的协调者，这条事务的状态也是不确定的，没人知道事务是否被已经提交。

 

3PC协议

　　3PC的2个改动点：

• 引入超时机制。同时在协调者和参与者中都引入超时机制。
• 在第一阶段和第二阶段中插入一个准备阶段。保证了在最后提交阶段之前各参与节点的状态是一致的。这样三阶段提交就有CanCommit、PreCommit、DoCommit三个阶段

 

　　  

 

　　第一阶段：CanCommit阶段

　　3PC的CanCommit阶段其实和2PC的准备阶段很像。协调者向参与者发送commit请求，参与者如果可以提交就返回Yes响应，否则返回No响应。

1. 事务询问 协调者向参与者发送CanCommit请求。询问是否可以执行事务提交操作。然后开始等待参与者的响应。
2. 响应反馈 参与者接到CanCommit请求之后，正常情况下，如果其自身认为可以顺利执行事务，则返回Yes响应，并进入预备状态。否则反馈No

　　第二阶段：PreCommit阶段

　　协调者根据参与者的反应情况来决定是否可以进行事务的PreCommit操作。根据响应情况，有以下两种可能。 假如协调者从所有的参与者获得的反馈都是Yes响应，那么就会执行事务的预执行。

1. 发送预提交请求 协调者向参与者发送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. 响应反馈 如果参与者成功的执行了事务操作，则返回ACK响应，同时开始等待最终指令。

　　假如有任何一个参与者向协调者发送了No响应，或者等待超时之后，协调者都没有接到参与者的响应，那么就执行事务的中断。

1. 发送中断请求 协调者向所有参与者发送abort请求。
2. 中断事务 参与者收到来自协调者的abort请求之后（或超时之后，仍未收到协调者的请求），执行事务的中断。

　　第三阶段：doCommit阶段

　　该阶段进行真正的事务提交，也可以分为以下两种情况。

　　 执行提交

1. 发送提交请求 协调接收到参与者发送的ACK响应，那么他将从预提交状态进入到提交状态。并向所有参与者发送doCommit请求。
2. 事务提交 参与者接收到doCommit请求之后，执行正式的事务提交。并在完成事务提交之后释放所有事务资源。
3. 响应反馈 事务提交完之后，向协调者发送Ack响应。
4. 完成事务 协调者接收到所有参与者的ack响应之后，完成事务。

　　 中断事务

　　 协调者没有接收到参与者发送的ACK响应（可能是接受者发送的不是ACK响应，也可能响应超时），那么就会执行中断事务。

1. 发送中断请求 协调者向所有参与者发送abort请求
2. 事务回滚 参与者接收到abort请求之后，利用其在阶段二记录的undo信息来执行事务的回滚操作，并在完成回滚之后释放所有的事务资源。
3. 反馈结果 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 协调者接收到参与者反馈的ACK消息之后，执行事务的中断。