[论文解读] Paxos vs Raft

Heidi Howard, Richard Mortier|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 19被引用 10

一句话总结

本文通过使用 Raft 的术语和抽象重新表述简化版 Paxos，对比了分布式系统中两种主流的一致性算法 Paxos 和 Raft。研究发现，两者仅在领导选举机制上存在差异：Raft 的基于日志的投票机制在选举期间比 Paxos 的日志复制更高效，而 Raft 更易理解的原因更多源于其表述方式而非算法设计本身。

ABSTRACT

Distributed consensus is a fundamental primitive for constructing fault-tolerant, strongly-consistent distributed systems. Though many distributed consensus algorithms have been proposed, just two dominate production systems: Paxos, the traditional, famously subtle, algorithm; and Raft, a more recent algorithm positioned as a more understandable alternative to Paxos. In this paper, we consider the question of which algorithm, Paxos or Raft, is the better solution to distributed consensus? We analyse both to determine exactly how they differ by describing a simplified Paxos algorithm using Raft's terminology and pragmatic abstractions. We find that both Paxos and Raft take a very similar approach to distributed consensus, differing only in their approach to leader election. Most notably, Raft only allows servers with up-to-date logs to become leaders, whereas Paxos allows any server to be leader provided it then updates its log to ensure it is up-to-date. Raft's approach is surprisingly efficient given its simplicity as, unlike Paxos, it does not require log entries to be exchanged during leader election. We surmise that much of the understandability of Raft comes from the paper's clear presentation rather than being fundamental to the underlying algorithm being presented.

研究动机与目标

• 为长期存在的争议提供解答：Raft 是否在分布式一致性方面从根本上优于 Paxos。
• 明确识别 Paxos 与 Raft 之间的精确技术差异，特别是领导选举机制方面的差异。
• 评估 Raft 所宣称的在可理解性和效率方面的优势是否真正源于算法设计，还是更多来自其教学性表述。
• 通过阐明两者在算法上的相似性与差异性，促进 Paxos 与 Raft 之间的优化技术互换。

提出的方法

• 将一种简化且现代的 Paxos 变体（MultiPaxos）重新表述为 Raft 的术语和抽象，以实现直接对比。
• 分析两种算法中的领导选举机制：Paxos 通过在服务器间划分任期来实现，而 Raft 通过日志最新程度检查来实现。
• 比较领导选举期间的通信开销：Paxos 在 RequestVote 响应中需要交换日志条目，而 Raft 通过基于日志的投票避免了这一操作。
• 检查日志复制语义：Paxos 在新领导者的任期下重新标记之前日志条目，而 Raft 保留原始任期。
• 在相同假设条件下（异步通信、可靠消息传递、无时钟同步）评估安全性和活跃性属性。
• 使用形式化对比表格（如表 1）对比两种算法如何确保领导唯一性、日志完整性以及安全提交。

实验结果

研究问题

• RQ1 Paxos 与 Raft 的根本算法差异是什么，超越其表述方式？
• RQ2 Paxos 与 Raft 的领导选举机制有何不同，这些差异对性能有何影响？
• RQ3 Raft 所宣称的可理解性在多大程度上源于其算法设计，而非其教学性表述？
• RQ4 Raft 的领导选举效率是否可归因于其基于日志的投票机制，与 Paxos 的方法相比如何？
• RQ5 Paxos 对先前日志条目进行任期重分配是否会导致可测量的低效，相较于 Raft 的方法？

主要发现

• Paxos 与 Raft 仅在领导选举机制上存在差异：Paxos 将任期在服务器之间划分，而 Raft 允许多名跟随者成为候选人，但每轮任期仅允许一次投票。
• Raft 的领导选举比 Paxos 更高效，因为它在 RequestVote 阶段避免了发送日志条目，而 Paxos 的跟随者必须在响应中包含日志条目。
• Raft 要求候选人拥有最新日志，从而在不依赖选举期间日志复制的情况下确保安全性，减少了通信开销。
• Paxos 将来自先前任期的日志条目重新标记为新领导者的任期，可能导致冗余复制；而 Raft 保留原始任期，避免了此类重复。
• Raft 的优越可理解性主要源于其清晰的表述和实用的抽象，而非算法本身固有的简洁性。
• 两种算法在共识方法上本质上相似，核心差异仅在于它们如何在选举期间确保领导安全。