python实现paxos协议

### Simple-Paxos 实现概述 Simple-Paxos 或 Basic Paxos 是指最基础版本的 Paxos 协议，旨在解决分布式系统中的共识问题。该协议通过两轮消息传递来达成一致意见。 #### 简单 Paxos 流程描述 简单 Paxos 主要分为两个阶段： 1. **准备阶段 (Prepare Phase)**: - 提案者(Proposer)向多数派(Acceptor集合的一个子集)发送带有唯一编号n的消息`prepare(n)`。 - 如果 Acceptor 收到比之前见过的最大编号还要大的 prepare 请求，则承诺不再响应任何小于等于此编号的其他 propose 请求，并返回已经接受过的最大编号及其对应的值给 Proposer。 2. **提交阶段 (Accept Phase)**: - 当 Proposer 接收到大多数 Acceptors 对于 `prepare(n)` 的回复之后，会选取这些回复中最大的提案编号所关联的价值作为新的提案价值v'（如果没有接收到任何已有的提案，则可以自由选择一个新值）； - 随后 Proposer 向同一组 Acceptors 发送 `accept(v', n)` 消息; - 若 Acceptor 认可这个编号并同意接受该提案，则记录下来并向 Learner 广播结果。 下面是一个 Python 版本的简化实现示例: ```python import threading from collections import defaultdict class Node(object): def __init__(self, id_, peers=None): self.id_ = id_ self.peers = peers or [] self.promised_to = None self.accepted_value = {} self.proposals = defaultdict(list) lock = threading.Lock() def prepare(self, proposal_id): global lock with lock: if not self.promised_to or self.promised_to < proposal_id: max_accepted_proposal = max( ((k, v) for k, v in self.accepted_value.items()), default=(None, None)) response = { 'status': True, 'proposal_id': max_accepted_proposal[0], 'value': max_accepted_proposal[1] } self.promised_to = proposal_id return response else: return {'status': False} def accept(self, value, proposal_id): global lock with lock: if not self.promised_to or self.promised_to <= proposal_id: self.accepted_value[proposal_id] = value return {'accepted': True} else: return {'accepted': False} ``` 这段代码展示了如何创建节点类以及处理 Prepare 和 Accept 请求的方法[^1]。

### Paxos 与 Raft 分布式共识算法对比 #### 区别 Paxos 和 Raft 是两种广泛使用的分布式一致性协议，尽管目标相同，但在设计理念和实现方式上有显著差异。 - **复杂度** Paxos 被认为更加抽象且难以理解。其论文描述较为晦涩难懂，在实际工程实践中也更难于实现和调试[^1]。相比之下，Raft 则被设计得更为直观易懂，具有清晰的状态机转换逻辑，便于工程师理解和维护[^2]。 - **角色定义** 在 Paxos 中存在多个提议者(Proposer)，接受者(Acceptor)以及学习者(Learner)；而在 Raft 中则简化为了领导者(Leader),跟随者(Follower)和候选者(Candidate)三种身份，并明确规定了各个节点之间的交互流程。 - **选举机制** 对于领导者的选取,Paxos 并未给出具体规定,而是在不同变种中有多种方案;Raft 明确提出了基于心跳检测的心跳超时随机化重试策略来进行领导人选举过程的设计. #### 实现细节 ##### Paxos ```python class Proposer: def __init__(self): self.proposal_id = None async def prepare(self, proposal_id): ... async def propose_value(self,value): ... class Acceptor: def __init__(self): self.promised_id = None self.accepted_value = None async def receive_prepare(self,msg):... async def receive_accept_request(self,msg):... class Learner: def learn_newly_accepted_values():... ``` 上述伪代码展示了 Paxos 协议中的三个主要组件：`Proposer`, `Acceptor` 和 `Learner`. 这些实体之间通过异步消息传递来达成一致意见. ##### Raft ```go type Server struct { currentTerm int // latest term server has seen (initialized to 0 on first boot, increases monotonically) votedFor *string // candidateId that received vote in current term (or null if none) log []LogEntry// log entries; each entry contains command for state machine and term when entry was received by leader (first index is 1) } func (rf *Server) RequestVote(args *RequestVoteArgs, reply *RequestVoteReply){ // Implementation of request vote RPC handler. } ``` 这段 Go 语言编写的服务器结构体包含了 Raft 协议的核心状态变量，如任期号(`currentTerm`)、投票对象(`votedFor`)及日志条目列表(`log`). 同时还给出了请求选票RPC调用的一个简单接口声明. #### 应用场景 对于那些对性能要求极高但可以容忍一定延迟的应用来说,Raft 可能会是一个更好的选择因为它更容易部署并保持稳定运行.然而当面对复杂的业务需求或是需要处理大规模集群的情况下，则可能更适合采用经过充分验证的 Paxos 或其衍生版本. 另外值得注意的是,ZooKeeper 使用了一套名为 ZAB 的专门针对自身特点优化过的原子广播协议而不是直接使用 Paxos 来保证系统的强一致性特性[^4].这表明即使在同一领域内也可能存在着不同的技术路线选择.