內容簡介

本書從原理出發，系統性地介紹了分散式系統和演算法，而非介紹如何使用某種分散式框架。

本書首先介紹了分散式系統是如何被建模的，以及分散式演算法是如何被描述的，然後從基礎的鏈路抽象開始逐步增加複雜度，最終將複雜的共識抽象以簡單的方式呈現在讀者面前。

通過閱讀本書，讀者不僅可以掌握常用的分散式演算法，還可以學到分散式演算法的證明方法及適用條件，為自行設計分散式系統和演算法打下堅實的基礎。本書適合分散式領域的初學者及相關從業者閱讀參考。

作者介紹

江峰，教授級高工，中國電信集團雲計算專業首席專家，中國電腦學會資訊存儲專委會委員。長期在分散式存儲領域從事理論研究和工程實踐工作。

受內容分發網路(CDN)的啟發，在業內首次提出和設計了“為寫而生”的內容存儲網路(CSN)——CTOOS。CTOOS實現了廣域分散式海量資料存儲服務的高可用、低時延和強一致，達到了單命名空間跨池數十個、實存容量過EB的規模，並長期穩定運行，為企業創造了可觀的收益，技術水準達到了國內領先。

以第一作者在國際期刊會議上發表論文多篇，以第一發明人申請專利十多件，以第一完成人獲得省部級、中國電信集團科技進步獎多次。

1 初識分散式 1
1.1 什麼是分散式系統1
1.2 分散式演算法的意義 3
1.3 “兩將軍”問題3
1.4 設計分散式演算法的主要挑戰8
1.4.1 併發執行 8
1.4.2 進程失敗 9
1.4.3 鏈路失敗 10

2 演算法模型 12
2.1 I/O 自動機 12
2.1.1 基本模型 13
2.1.2 組合模型15
2.1.3 隱藏操作 16
2.1.4 與業務邏輯的關係18
2.1.5 小結 19
2.2 程式設計模型 20
2.2.1 調用關係 . 21
2.2.2 事件和事件處理器 . 23
2.2.3 抽象和實現 . 25

3 系統模型 30
3.1 進程 30
3.2 消息 31
3.3 進程啟動 32
3.4 進程失敗 33
3.4.1 崩潰式失敗 . 33
3.4.2 遺漏式失敗 . 34
3.4.3 恢復後崩潰失敗 . 35
3.4.4 拜占庭失敗 . 36
3.4.5 各種失敗的關係 . 37
3.5 時鐘 37
3.5.1 本地時鐘和全域時鐘 . 37
3.5.2 因果順序不變 . 38
3.5.3 邏輯時鐘 . 41
3.5.4 時鐘偏移 . 42
3.6 時間假設 43
3.6.1 非同步系統 . 44
3.6.2 同步系統 . 45
3.6.3 部分同步系統 . 46
3.7 安全性和活性 47
3.8 組合模型 48
3.9 多數派 50
3.10 性能度量 51

4 鏈路 52
4.1 公平丟包鏈路 53
4.1.1 定義 . 53
4.1.2 消息系統 . 54
4.2 頑固鏈路 57
4.2.1 定義 . 57
4.2.2 靜音型失敗演算法 . 57
4.3 可靠鏈路 60
4.3.1 定義 . 61
4.3.2 靜音型失敗演算法 . 61
4.4 先進先出可靠鏈路 63
4.4.1 定義 . 63
4.4.2 靜音型失敗演算法 . 63
4.5 日誌可靠鏈路 65
4.5.1 定義 . 65
4.5.2 恢復型失敗演算法 . 66
4.6 其他說明 69

5 失敗檢測和選主 70
5.1 失敗檢測 70
5.2 完美失敗檢測 71
5.2.1 定義 . 71
5.2.2 停止型失敗演算法 . 71
5.3 最終完美失敗檢測 73
5.3.1 定義 . 73
5.3.2 噪音型失敗演算法 . 74
5.4 選主 76
5.4.1 定義 . 76
5.4.2 停止型失敗演算法 . 77
5.5 最終選主 78
5.5.1 定義 . 79
5.5.2 噪音型失敗演算法 . 79
5.5.3 恢復失敗型演算法 . 81

6 可靠廣播 85
6.1 盡力廣播 85
6.1.1 定義 . 86
6.1.2 靜音型失敗演算法 . 86
6.2 正則可靠廣播 87
6.2.1 定義 . 87
6.2.2 停止型失敗演算法 . 88
6.2.3 靜音型失敗演算法 . 90
6.3 統一可靠廣播 91
6.3.1 定義 . 92
6.3.2 停止型失敗演算法 . 92
6.3.3 靜音型失敗演算法 . 94
6.4 頑固廣播 97
6.4.1 定義 . 97
6.4.2 恢復型失敗演算法 . 97
6.5 概率廣播 98
6.5.1 定義 . 99
6.5.2 隨機化演算法：盡力推送 . 100
6.5.3 隨機化演算法：推拉結合 . 106
6.6 先進先出廣播 112
6.6.1 定義 . 113
6.6.2 靜音型失敗演算法 . 113
6.7 因果可靠廣播 115
6.7.1 定義 . 115
6.7.2 靜音型失敗演算法 . 116
6.7.3 停止型失敗演算法 . 118
?6.7.4 靜音型失敗演算法：基於向量時間 120

7 共用記憶體 124
7.1 介紹 124
7.1.1 前提假設 . 125
7.1.2 操作順序 . 126
7.1.3 操作失敗 . 127
7.2 (1-N)正則註冊器 . 128
7.2.1 定義 . 128
7.2.2 停止型失敗演算法 . 130
7.2.3 靜音型失敗演算法 . 132
7.3 (1-N)原子註冊器 . 135
7.3.1 定義 . 136
7.3.2 停止型失敗演算法 . 137
7.3.3 靜音型失敗演算法 . 140
7.4 (N-N)原子註冊器 144
7.4.1 定義 . 144
7.4.2 停止型失敗演算法 . 147
7.4.3 靜音型失敗演算法 . 149
7.5 (1-N)日誌正則註冊器 . 152
7.5.1 操作順序 . 153
7.5.2 定義 . 153
7.5.3 恢復型失敗演算法 . 155
7.6 (N-N)順序註冊器 158
7.6.1 定義 . 159
7.6.2 正則、順序與原子註冊器的比較 160
7.6.3 疊加性 . 163
7.6.4 靜音型失敗演算法 . 164
7.7 因果註冊器和先進先出註冊器 169
7.8 CAP 理論 . 170

8 共識 173
8.1 正則共識 174
8.1.1 定義 . 174
8.1.2 停止型失敗演算法：泛洪共識 175
8.1.3 停止型失敗演算法：等級共識 178
8.2 統一共識 180
8.2.1 定義 . 180
8.2.2 停止型失敗演算法：泛洪統一共識 181
8.2.3 停止型失敗演算法：等級統一共識 184
8.3 適用於噪音型失敗模型的統一共識 188
8.3.1 概述 . 188
8.3.2 代次變更 . 189
8.3.3 代次共識 . 195
8.3.4 噪音型失敗演算法 . 200
8.3.5 Paxos 協議 . 204
8.4 日誌統一共識 206
8.4.1 定義 . 206
8.4.2 日誌代次變更 . 207
8.4.3 日誌代次共識 . 209
8.4.4 恢復型失敗演算法 . 213
8.5 隨機共識 215
8.5.1 定義 . 216
8.5.2 共幣 . 217
8.5.3 靜音型失敗演算法：隨機二值正則共識 222
8.5.4 靜音型失敗演算法：隨機多值正則共識 229
8.6 統一快速共識 231
8.6.1 定義 . 231
8.6.2 靜音型失敗演算法 . 232
8.7 統一序列共識 236
8.7.1 概述 . 236
8.7.2 定義 . 237
8.7.3 基於單值共識的演算法 . 239
8.8 適用於噪音型失敗模型的統一序列共識 240
8.8.1 概述 . 241
8.8.2 代次序列共識 . 241
8.8.3 噪音型失敗演算法 . 252
8.8.4 Multi-Paxos 和Raft 協議 254

9 共識的應用 256
9.1 全序廣播 256
9.1.1 定義 . 258
9.1.2 演算法：基於共識的全序廣播 259
9.2 複製狀態機 263
9.2.1 定義 . 263
9.2.2 演算法：基於全序廣播的狀態複製 264
9.3 信號量 265
9.3.1 定義 . 265
9.3.2 演算法：基於全序廣播的信號量 267
9.4 原子提交 270
9.4.1 介紹 . 271
9.4.2 定義 . 272
9.4.3 停止型失敗演算法：基於共識的非阻塞式原子提交 273
9.5 組成員關係 276
9.5.1 定義 . 277
9.5.2 停止型失敗演算法：基於共識的組成員關係 278
9.6 可停止全序廣播 280
9.6.1 定義 . 281
9.6.2 停止型失敗演算法：基於共識的可停止全序廣播 283
9.7 可重配複製狀態機 287
9.7.1 進程的加入和離開 . 288
9.7.2 定義 . 289
9.7.3 停止型失敗演算法：基於可停止全序廣播 291

10 基於時鐘的演算法 295
10.1 包含時鐘的時間假設 295
10.2 基於時鐘同步的失敗檢測 297
10.2.1 完美失敗檢測 . 297
10.2.2 最終完美失敗檢測 . 299
10.3 基於網路同步的虛擬時鐘 301
10.3.1 定義 . 302
10.3.2 停止型失敗演算法 . 302
10.4 時鐘同步與網路同步的等價性 303
10.5 即時操作系統的意義 305

11 結束語 306
參考文獻 307

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