1. 介绍

Quorum 协议,是一种分布式系统中常用的,用来保证数据冗余和最终一致性的投票算法,该算法可以保证同一份数据对象的多份拷贝不会被超过两个访问对象读写。

在分布式系统中,冗余数据是保证可靠性的手段,因此冗余数据的一致性维护就非常重要。一般而言,一个写操作必须要对所有的冗余数据都更新完成了,才能称为成功结束。比如一份数据在5台设备上有冗余,因为不知道读数据会落在哪一台设备上,那么一次写操作,必须5台设备都更新完成,写操作才能返回。但如此,

①写操作很脆弱,因为只要有一个副本更新失败,此次写操作就视为失败了。

②读操作很简单,因为,所有的副本更新成功,才视为更新成功,从而保证所有的副本一致。这样,只需要读任何一个副本上的数据即可。

假设有N个副本,N-1个都宕机了,剩下的那个副本仍能提供读服务;但是只要有一个副本宕机了,写服务就不会成功

Quorum算法可以让写操作只要写完3台就返回(假设Vw是3)。剩下的由系统内部缓慢同步完成。而读操作,则需要也至少读3台,才能保证至少可以读到一个最新的数据。

由此推断, Vw越小, 则Vr越大, 写操作性能更高, 读操作性能更低 , 反之亦然

2. 原理定义

分布式系统中的每一份数据拷贝对象都被赋予一票。每一个读操作获得的票数必须大于最小读票数(read quorum)(Vr),每个写操作获得的票数必须大于最小写票数(write quorum)(Vw)才能读或者写。如果系统有V票(意味着一个数据对象有V份冗余拷贝),那么最小读写票数(quorum)应满足如下限制:

  • Vr + Vw > V

  • Vw > V/2

第一条规则保证了一个数据不会被同时读写。当一个写操作请求过来的时候,它必须要获得Vw个冗余拷贝的许可。而剩下的数量是V-Vw 不够Vr,因此不能再有读请求过来了。同理,当读请求已经获得了Vr个冗余拷贝的许可时,写请求就无法获得许可了。

第二条规则保证了数据的串行化修改。一份数据的冗余拷贝不可能同时被两个写请求修改。

2.2 举例

假设系统中有5个副本,W=3,R=3。初始时数据为(V1,V1,V1,V1,V1)–成功提交的版本号为1

当某次更新操作在3个副本上成功后,就认为此次更新操作成功。数据变成:(V2,V2,V2,V1,V1)–成功提交后,版本号变成2

因此,最多只需要读3个副本,一定能够读到V2(此次更新成功的数据)。而在后台,可对剩余的V1 同步到V2,而不需要让Client知道。

写成功的读操作

上面的V2 成功提交后(已经写入W=3份),尽管读取3个副本时一定能读到V2,如果刚好读到的是(V2,V2,V2),则此次读取的数据是最新成功提交的数据,因为W=3,而此时刚好读到了3份V2。如果读到的是(V2,V1,V1),则无法确定是一个成功提交的版本,还需要继续再读,直到读到V2的达到3份为止,这时才能确定V2 就是已经成功提交的最新的数据。

写失败的读操作

比如,(V2,V2,V1,V1,V1),R=3,如果读取的3个副本是:(V1,V1,V1)则高版本的 V2需要丢弃。

如果读取的3个副本是(V2,V1,V1),则低版本的V1需要同步到V2

quorum 协议在大数据领域做数据同步用得较为广泛, 比如: HDFS高可用性; StarRocks的 BackEnd 节点数据同步等

Quorum协议 | 似水年华–沉浮 (idber.github.io)

分布式一致性协议–4 Quorum 机制_quorum协议-CSDN博客