Raft 作者出的 Paxos 的试题，看看你能得多少分？
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2020-11-18 06:52
(4 分）下面的每张图都显示了一种 Multi-Paxos 服务器上可能的日志（每个条目中的数字代表 acceptedProposal 值）。考虑每份日志都是独立的，下列日志是否可能发生在正确实现的 Multi-Paxos 中？
a. 
b. 
c. 
d. 
答案：
a. 是。
b. 是。
c. 是。
d. 是。
(6 分) 对于 Basic Paxos，假设一个集群有 5 台服务器，其中 3 台接受了(accepted)提案编号 5.1 和对应的提案值 X，在这种情况下，集群中的任意服务器是否有可能接受不同的值 Y ？解释你的答案。
答案：
是。如果 S1，S2 和 S3 接受了提案 <5.1, X>，其它服务器仍然可能接受更早的提案编号的提案值 Y。
例如，S4 先发送 Prepare(3.4) 发现并没有已接受的提案值，接着 S1 发送 Prepare（5.1）到 S1，S2，S3，然后 S1，S2，S3 接受了<5.1, X>，此时 S4 仍然可能在 S4，S5 完成提案 <3.4, Y>
(10 分) 假设 Multi-Paxos 集群选出了一个节点作为 Leader，而且没有其它 Leader。此外，假设该节点继续担任一段时间的 Leader，为日志 chosen 了很多命令，并且在这期间依然没有其它节点试图担任 Leader。a. 在此期间，该节点最少要发送多少轮 Prepare RPC？给出解释，且尽可能精确。 b. 在此期间，该节点最多要发送多少次 Prepare RPC？给出解释，且尽可能精确。
答案：
a. 最少只发送 1 轮 Prepare RPC，如果多数派 Prepare 都立即返回了具有 noMoreAccepted=true 的响应。
b. 最多是：Leader 节点上每有一个未 chosen 但是 Acceptor 已经接受的日志记录，就会有一轮 Prepare RPC。这发生在如果每次 Leader 为其没有 chosen 的日志发送 Prepare 请求，都发现有一个 Acceptor 已经接受了该提案值，那它就会在该条目位置采用这个提案值，然后继续尝试下一个日志条目。这样就会发生最多的轮次。
(5 分) 当一个 Acceptor 使用 Proposer 提供的 firstUnchosenIndex 来标记被 chosen 的日志记录时，它必须先检查日志记录中的提案编号（acceptedProposal[i] == request.proposal）。假设它跳过了这一检查：请描述一个系统异常的情况。
答案：
可能出现的异常行为是：服务器会标记两个不同的 chosen 值。用 2 个竞争的提案，3 节点集群和 2 个日志来举例：
•S1 完成一轮 Prepare 发送提案编号 n=1.1, index=1 给 S1，S2•S1 只完成 S1（它自己）的 Accept 提案 n=1.1, value = X, index = 1•S2 完成一轮 Prepare 发送提案编号 n=2.2, index=1 给 S2，S3，收到二者包含 noMoreAccepted=true 的响应•S2 完成一轮 Accept，S2、S3 收到 n=2.2, value=Y, index=1•S2 标记 index 1 的日志为 chosen•S2 完成一轮 Accept，S1, S2, 和 S3 收到 n=2.2, value=Z, index=2, firstUnchosenIndex=2，此时，S1 将会发生异常：将 n=1.1, value=X 的日志设为 chosen，然后将 X 应用到状态机。这是不正确的，因为实际上是 Y 被 chosen。
(5 分) 假设提案编号的两个部分（自增 id 和唯一 server_id）进行了互换，即 server_id 位于高位。a. 这会影响 Paxos 的安全性（Safety）吗？请简单解释你的答案。b. 这会影响 Paxos 的活性（Liveness）吗？请简单解释你的答案。
答案：
a. 不会。因为安全性只需要提案编号唯一，每台服务器的 server_id 是唯一的，并且有自增 id，所以唯一性得到保证。
b. 会。例如，server_id 最大的服务器向集群中每一台服务器发出的 Prepare RPC 将会永远失败。然后，其它 Proposer 无法继续运行，因为其它服务器的 minProposal 对于 Proposer 来说太大了。
(10 分) 假设一个 Proposer 以初始值 v1 运行 Basic Paxos，但是它在协议执行过程中或执行后的某个（未知）时间点宕机了。假设该 Proposer 重新启动并从头开始运行协议，使用之前使用的相同的提案编号，但初始值为 v2，这样安全吗？请解释你的答案。
答案：
不安全。不同的提案必须具有不同的提案编号。下面是一个 3 节点集群的例子：
•S1 发送 Prepare(n=1.1) 至 S1，S2•S1 发送 Accept(n=1.1, v=v1) 至 S1•S1 重启•S1 发送 Prepare(n=1.1) 至 S2，S3（并且发现还没有被接受的提案）•S1 发送 Accept(n=1.1, v=v2) 与 S2，S3•S1 将 v2 被 chosen 返回给客户端•S2 发送 Prepare(n=2.2) 至 S1，S2 并收到响应：
•来自 S1: acceptedProposal=1.1, acceptedValue=v1•来自 S2: acceptedProposal=1.1, acceptedValue=v2
•S2 直接选择了 v1 作为提案值•S2 发送 Accept(n=2.2, v=v1)至S1，S2，S3•S2 将 v1 被 chosen 返回给客户端
可能出现的另一个问题是，崩溃前的请求在崩溃之后才被送到：
•S1 发送 Prepare(n=1.1) 至 S1，S2•S1 发送 Accept(n=1.1, v=v1) 至 S1•S1 发送 Accept(n=1.1) 至 S2 和 S3，但是它们并没有收到•S1 重启•S1 发送 Prepare(n=1.1) 至 S2，S3（并且发现还没有被接受的提案）•S1 发送 Accept(n=1.1, v=v2) 至 S2 和 S3•S1 将 v2 被 chosen 返回给客户端•现在，S2 和 S3 收到了（之前的） Accept(n=1.1, v=v1) 请求，并且覆盖了 acceptedValue 设为 v1。现在集群的状态是 v1 被 chosen，但是客户端收到 v2 被 chosen。
(10 分) 在一个成功的 Accept RPC 中，Acceptor 将其 minProposal 设为 n（Accept RPC 中的提案编号）。描述一个这样做实际上改变了 minProposal 值的场景（即 minProposal 还没有等于 n）。描述如果没有这段代码，系统将出现异常行为的场景。
答案：
用 5 个节点的 Basic Paxos 举例：
•S1 发送 Prepare(n=1.1) 至 S1, S2, S3（并且发现没有接受的提案）•S5 发送 Prepare(n=2.5) 至 S3, S4, S5（并且发现没有接受的提案）•S5 发送 Accept(n=2.5, v=X) 至 S2, S3, S5，这时 S2 的 minProposal 应该是 2.5•S5 返回 X 被 chosen 给客户端•S1 发送 Accept(n=1.1, v=Y) 至 S2，这通常会被拒绝，但是如果 Accept 阶段未更新 S2 的 minProposal，这会被接受•S3 发送 Prepare(n=3.3) 至 S1, S2, S4（并且发现 n=1.1, v=Y）•S3 发送 Accept(n=3.3, v=Y)至 S1, S2, S3, S4, S5•S3 返回 Y 被 chosen 给客户端
(10 分) 考虑 Multi-Paxos 的配置变更，旧配置由服务器 1、2 和 3 组成，新配置由服务器 3、4 和 5 组成。假设新配置在日志中第 N 条被 chosen，同时日志记录 N 到 N+α (含)也都被 chosen。假设此时旧服务器 1 和 2 被关闭，因为它们不属于新配置。描述下这可能在系统中引起的问题。
答案：
这将导致新集群的活性(liveness)问题，因为新集群服务器上的 firstUnchosenIndex 可能小于 N+α。
例如，在最坏情况下，S3 可能永久故障了，而 S1 和 S2 则可能没有尝试将任何值同步到 S4 和 S5（仅使用本讲义中介绍的算法）。然后，S4 和 S5 将永远无法学习到日志记录第 1 到 N+α-1 所 chosen 的值，因为它们无法和 S1、S2 或 S3 进行通信。S4 和 S5 的状态机将永远无法超越其初始状态。
"Paxos/Raft user study" by Diego Ongaro and John Ousterhout is licensed under CC BY 4.0
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