Giới thiệu

Sự đồng thuận là nền tảng của các hệ thống phân tán chịu lỗi, đảm bảo rằng các nút đồng ý với một kết quả duy nhất ngay cả khi xảy ra sự cố, độ trễ hoặc phân vùng mạng. Nếu không có sự đồng thuận, hệ thống có nguy cơ gặp phải các tình huống chia rẽ, đọc không nhất quán và ghi chép xung đột. Các thuật toán như Paxos, Raft và Zab là động lực cho sự đồng thuận trong các hạ tầng thực tế như ZooKeeper, etcd, Consul, Spanner và CockroachDB. Bằng cách đó, chúng cung cấp nền tảng không chỉ cho các mô hình tính nhất quán mạnh mẽ như tính nhất quán tuyến tính mà còn cho các nguyên lý phối hợp giữ cho các cụm lớn an toàn và đáng tin cậy.

Đặc điểm của thuật toán đồng thuận

Từ góc độ lý thuyết, các thuật toán đồng thuận có ba đặc điểm chính:

• Sự đồng ý – Giá trị quyết định là giống nhau cho tất cả các quy trình đúng.
• Tính hợp lệ – Giá trị đã quyết định được đề xuất bởi một trong các quy trình.
• Kết thúc – Tất cả các quy trình đúng cuối cùng sẽ đạt được quyết định.

Ứng dụng của sự đồng thuận

Một số ứng dụng quan trọng nhất của sự đồng thuận bao gồm:

• Bầu chọn lãnh đạo – đảm bảo chỉ có một nút chính tại một thời điểm, ngăn ngừa xung đột và cho phép các mô hình tính nhất quán mạnh như tính nhất quán tuyến tính.
• Nhật ký sao chép / sao chép trạng thái máy – đảm bảo một thứ tự hoạt động duy nhất, đã được đồng ý giữa các bản sao, tạo thành nền tảng cho việc sao chép cơ sở dữ liệu đáng tin cậy.
• Khóa và cho thuê – cho phép chỉ một quy trình an toàn chiếm hữu một tài nguyên quan trọng, ngay cả trong trường hợp xảy ra lỗi hoặc phân vùng mạng.
• Ràng buộc tính duy nhất – ngăn chặn nhiều khách hàng tạo ra các bản ghi xung đột thành công (ví dụ: cùng một tên người dùng hoặc khóa chính).
• Cam kết giao dịch nguyên tử – đảm bảo rằng tất cả các bên tham gia trong một giao dịch phân tán hoặc cam kết hoặc hủy bỏ cùng nhau, tránh kết quả một phần.
• Phân chia và phân công khối lượng công việc – phối hợp xem nút nào sở hữu khối nào hoặc nhiệm vụ nào, và tự động phân công lại khi các nút tham gia, rời bỏ hoặc gặp sự cố.
• Tạo ID có thứ tự toàn cầu – cung cấp ID duy nhất, đơn điệu có thể phục vụ như số thứ tự, dấu hiệu sắp xếp sự kiện hoặc vé.

Nhật ký chung: Sự đồng thuận trong thực tế

Một nhật ký chung là một trừu tượng nơi nhiều nút hoặc khách hàng có thể đề xuất các mục, và hệ thống đảm bảo mỗi bản sao thấy cùng một chuỗi chỉ thêm theo thứ tự giống nhau. Trong thực tế, một lãnh đạo duy nhất (tại một thời điểm) sẽ thêm các mục; sự đồng thuận quyết định thứ tự và đảm bảo tất cả các bản sao giao nhận cùng một lịch sử.

Nhật ký chung còn được gọi một cách chính thức là phát sóng thứ tự tổng thể, phát sóng nguyên tử hoặc giao thức phát sóng thứ tự tổng thể. Những thuật ngữ này mô tả cùng một ý tưởng bằng các từ khác nhau: yêu cầu một giá trị được thêm vào nhật ký được gọi là phát sóng, và đọc một mục nhật ký được gọi là giao hàng.

Đặc điểm của nhật ký chung

• Thêm cuối cùng – nếu một nút đề xuất một mục và không gặp sự cố, nó sẽ cuối cùng thấy mục đó xuất hiện trong nhật ký.
• Giao hàng đáng tin cậy – một khi bất kỳ nút đúng nào thấy một mục, mọi nút đúng sẽ cuối cùng thấy nó.
• Chỉ thêm – các mục là bất biến; các mục mới chỉ có thể được thêm sau các mục hiện có.
• Thỏa thuận (thứ tự tổng thể) – bất kỳ hai nút nào đã đọc mục phải đã đọc chính xác cùng một tiền tố trước đó, theo cùng một thứ tự.
• Tính hợp lệ – mỗi mục nhật ký đến từ một đề xuất hợp lệ (không có mục bị làm giả).

Hầu hết các giao thức đồng thuận thực tiễn (Raft, Multi-Paxos, Zab) đều cung cấp chính xác giao diện nhật ký này.

Các thuật toán đồng thuận (Triển khai)

Mặc dù sự đồng thuận có thể được mô tả một cách trừu tượng, các hệ thống thực tế phụ thuộc vào các thuật toán cụ thể để thực hiện nó. Ba thuật toán có ảnh hưởng và được sử dụng rộng rãi nhất là Paxos, Raft và Zab. Mỗi cái giải quyết vấn đề đồng thuận, nhưng với các thỏa hiệp khác nhau về khả năng hiểu, hiệu suất và sự chấp nhận.

Paxos

• Được phát triển bởi Leslie Lamport; là thuật toán đồng thuận thực tiễn đầu tiên.
• Hoạt động thông qua hai giai đoạn bỏ phiếu: đầu tiên, các nút đồng ý về một số đề xuất, và thứ hai, họ đồng ý về giá trị thực tế.
• Đảm bảo an toàn ngay cả khi xảy ra lỗi, nhưng logic rất tinh tế và thuật toán nổi tiếng khó triển khai đúng cách.
• Multi-Paxos mở rộng giao thức để đồng ý về một chuỗi giá trị, hình thức một nhật ký chung.

Raft

• Được thiết kế với khả năng hiểu biết trong tâm trí, làm cho nó đơn giản hơn Paxos.
• Bầu chọn một lãnh đạo thông qua quá trình bỏ phiếu với các số kỳ.
• Lãnh đạo thêm các yêu cầu của khách hàng vào nhật ký của nó, sao chép chúng cho những người theo, và xem xét các mục đã cam kết một khi đa số xác nhận chúng.
• Đảm bảo rằng một lãnh đạo vừa được bầu có nhật ký cập nhật trước khi tiếp tục, đơn giản hóa việc chuyển giao.
• Được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống như etcd và Consul.

Zab

• Viết tắt của Zookeeper Atomic Broadcast.
• Được thiết kế đặc biệt để hỗ trợ ZooKeeper, một dịch vụ phối hợp.
• Sử dụng phương pháp dựa trên lãnh đạo, nơi lãnh đạo đề xuất các cập nhật, và các người theo xác nhận trước khi cập nhật được cam kết.
• Nhấn mạnh phát sóng thứ tự tổng thể, đảm bảo mỗi cập nhật được áp dụng theo cùng một thứ tự trên tất cả các bản sao.
• Cung cấp các đảm bảo tính nhất quán mạnh cho các nhiệm vụ phối hợp như khóa và quản lý cấu hình.

Chúng tôi chỉ đề cập đến Paxos, Raft và Zab ở đây. Mỗi cái sẽ được đề cập chi tiết hơn trong các bài viết riêng; phần này chỉ là cái nhìn tổng quan về cách sự đồng thuận hoạt động trong thực tế.

Thực tiễn tốt nhất

Dưới đây là một số thực tiễn tốt nhất mà bạn nên cân nhắc khi triển khai sự đồng thuận trong các hệ thống phân tán:

• Sử dụng các thuật toán đã được kiểm chứng: Lựa chọn các thuật toán như Raft và Paxos đã được sử dụng rộng rãi và có tài liệu phong phú để tham khảo.
• Thiết lập giám sát và logging: Theo dõi các hoạt động đồng thuận có thể giúp phát hiện sớm các vấn đề.
• Thực hiện kiểm tra và thử nghiệm: Đảm bảo rằng bạn thực hiện các bài kiểm tra đầy đủ trong môi trường phát triển trước khi triển khai.

Những cạm bẫy thường gặp

Khi làm việc với sự đồng thuận, có một số cạm bẫy mà bạn cần tránh:

• Quá phức tạp trong thiết kế: Cố gắng giữ cho hệ thống của bạn đơn giản và dễ hiểu; quá nhiều lớp trừu tượng có thể dẫn đến lỗi.
• Thiếu dự phòng: Đảm bảo rằng bạn có các biện pháp dự phòng để xử lý các nút bị lỗi.

Mẹo tối ưu hóa hiệu suất

Để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống đồng thuận, hãy cân nhắc những điểm sau:

• Giảm số lượng phiếu bầu cần thiết: Thiết kế hệ thống để giảm thiểu số lượng nút cần xác nhận.
• Tối ưu hóa truyền thông giữa các nút: Giảm thiểu độ trễ trong việc trao đổi thông tin giữa các nút.

Giải quyết sự cố

Nếu hệ thống của bạn gặp sự cố đồng thuận, hãy xem xét những điều sau:

• Kiểm tra nhật ký: Xem xét nhật ký của hệ thống để tìm ra nguyên nhân của lỗi.
• Khôi phục từ trạng thái đã biết: Nếu có thể, hãy quay lại một trạng thái đã biết tốt để khôi phục hệ thống.

Kết luận

Sự đồng thuận là một khía cạnh quan trọng trong thiết kế hệ thống phân tán. Việc hiểu rõ các thuật toán và ứng dụng của chúng giúp các nhà phát triển tạo ra các hệ thống đáng tin cậy và hiệu quả hơn. Hãy theo dõi các bài viết tiếp theo để tìm hiểu sâu hơn về từng thuật toán đồng thuận cụ thể và cách chúng có thể áp dụng trong các dự án của bạn.