鐵路客票系統(tǒng)中基于Paxos算法的數(shù)據(jù)一致性模型研究

王紅愛，祝紅光，賈新茹

（中國鐵道科學(xué)研究院電子計(jì)算技術(shù)研究所，100081）

鐵路客票發(fā)送和預(yù)定系統(tǒng)（簡稱客票系統(tǒng)）自1996年應(yīng)用以來，已經(jīng)建成了鐵道部、地區(qū)中心、車站三級(jí)分布式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)擁有以市場需求為導(dǎo)向的客票銷售體系，滿足旅客的不同需求。本系統(tǒng)每日與海量數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，這些數(shù)據(jù)是客票系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)，從應(yīng)用的角度來說，分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)一般包括站名字典、線路字典、票價(jià)基礎(chǔ)價(jià)率等相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，由鐵道部全表復(fù)制到各中心和各車站，而業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)一般包括存根、席位、財(cái)收等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的要求由車站級(jí)或中心級(jí)向上級(jí)單位逐級(jí)傳輸?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的一致性要求非常強(qiáng)，需要嚴(yán)格一致，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的丟失會(huì)影響售票業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行。而業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的丟失會(huì)造成鐵路局、鐵道部報(bào)表的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不完整，對(duì)分析運(yùn)營結(jié)果和制定運(yùn)營策略產(chǎn)生不利影響。云計(jì)算的Paxos算法可以解決分布式系統(tǒng)中的一致性問題。本文分析了客票系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構(gòu)，介紹了目前客票系統(tǒng)保證數(shù)據(jù)一致性的技術(shù)，建立了基于Paxos算法的數(shù)據(jù)一致性模型，可以有效解決客票系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一致性和完整性問題。

1 Paxos算法介紹

Paxos算法[1~2]是由Leslie Lamport最先提出的一種基于消息傳遞（Messages Passing）的一致性算法。用來解決一個(gè)分布式系統(tǒng)如何就某個(gè)值（決議）達(dá)成一致的問題。

一個(gè)典型的場景是，在一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，如果各節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)一致，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都執(zhí)行相同的操作序列，那么他們最后能得到一個(gè)一致的狀態(tài)。在該算法中規(guī)定了3種角色（proposers，acceptors，和 learners）和2個(gè)階段（accept和learn）。其中proposers 提出決議，acceptors批準(zhǔn)決議，learners獲取并使用已經(jīng)通過的決議。在這種情況下，滿足以下3個(gè)條件[3]就可以保證數(shù)據(jù)的一致性：

（1）決議只有在被 proposers 提出以后才能批準(zhǔn)。

（2）每次只批準(zhǔn)一個(gè)決議。

（3）只有決議確定被批準(zhǔn)后learners才能獲取這個(gè)決議。

圖1為Paxos算法的模型簡圖。

圖1 Paxos算法的模型簡圖

Paxos算法實(shí)現(xiàn)時(shí)proposer向acceptors組發(fā)起請(qǐng)求告知需批準(zhǔn)的編號(hào)n，獲取acceptors多數(shù)派最新一次批準(zhǔn)的最大編號(hào)m，如果此次提案編號(hào)n大于m，則acceptors根據(jù)收到的請(qǐng)求承諾不再批復(fù)編號(hào)小于n的提案，在收到該提案時(shí)即批準(zhǔn)該請(qǐng)求，此時(shí)learner才能獲取該提案。

2 數(shù)據(jù)復(fù)制與傳輸管理

數(shù)據(jù)復(fù)制（replication）和傳輸管理（DBCS）是客票分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)的2種技術(shù)手段?？推毕到y(tǒng)利用Sybase的復(fù)制服務(wù)器將數(shù)據(jù)從主站點(diǎn)復(fù)制到其他站點(diǎn)，通過在主點(diǎn)建立數(shù)據(jù)復(fù)制定義，在復(fù)制點(diǎn)建立復(fù)制約定，自動(dòng)地把對(duì)主點(diǎn)數(shù)據(jù)的操作通過復(fù)制機(jī)制作用到復(fù)制點(diǎn)數(shù)據(jù)上。數(shù)據(jù)傳輸管理主要完成分布式數(shù)據(jù)庫之間數(shù)據(jù)的相互透明傳送，從而在分布式數(shù)據(jù)庫之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性和完整性，屬于松散一致性的數(shù)據(jù)耦合機(jī)制。

2.1 數(shù)據(jù)復(fù)制

客票系統(tǒng)利用的復(fù)制服務(wù)器來完成復(fù)制功能。復(fù)制數(shù)據(jù)會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)中有多份數(shù)據(jù)影像，分為緊密一致性和松散一致性兩種方式，緊密一致性需要相關(guān)的復(fù)制節(jié)點(diǎn)都做好了提交準(zhǔn)備才去提交，而松散一致性對(duì)于事物的執(zhí)行主點(diǎn)和復(fù)制點(diǎn)總是會(huì)有延遲。數(shù)據(jù)復(fù)制具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）高可用性

如果有一個(gè)節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)，其他節(jié)點(diǎn)可以接管它的工作，不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)停止工作。

（2）提高系統(tǒng)的擴(kuò)展能力

通過把負(fù)載分布到多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，或者增加節(jié)點(diǎn)來提高系統(tǒng)的擴(kuò)展能力。

（3）高性能

復(fù)制服務(wù)器提供一種機(jī)制，復(fù)制系統(tǒng)是獨(dú)立的，不會(huì)給各節(jié)點(diǎn)服務(wù)器造成負(fù)擔(dān)。同時(shí)客戶端可以訪問就近的節(jié)點(diǎn)，提高了用戶訪問速度。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

客票系統(tǒng)擁有自主開發(fā)的傳輸中間件（DBCS），主要根據(jù)用戶定制，從源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫按照一定的規(guī)則導(dǎo)出數(shù)據(jù)，傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)服務(wù)器，再按照導(dǎo)入定義將文件導(dǎo)入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，完成日常數(shù)據(jù)在各節(jié)點(diǎn)之間的傳送。包括原始業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)向上級(jí)節(jié)點(diǎn)傳輸，同級(jí)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸，消息類數(shù)據(jù)向下級(jí)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)葓鼍啊?/p>

3 客票系統(tǒng)客戶端與服務(wù)端架構(gòu)

圖2 客票系統(tǒng)客戶端與服務(wù)器端的結(jié)構(gòu)圖

如圖2，以售票為例，當(dāng)客戶端要完成售票業(yè)務(wù)，需要分別向車站、鐵路局、鐵道部各級(jí)不同數(shù)據(jù)庫發(fā)出指令，由于網(wǎng)絡(luò)等原因，如果各服務(wù)器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或者業(yè)務(wù)類數(shù)據(jù)不一致，可能會(huì)造成業(yè)務(wù)停滯，或者產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果，比如改點(diǎn)調(diào)令沒有復(fù)制到車站，會(huì)造成票面開車時(shí)間不正確，導(dǎo)致旅客漏乘列車。為了使全路客票發(fā)售系統(tǒng)能夠正常運(yùn)營，數(shù)據(jù)的一致性尤顯重要。在分布式系統(tǒng)中Paxos算法最大的用途就是保持多個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的一致性。

客票系統(tǒng)是一個(gè)龐大的信息系統(tǒng)，根據(jù)業(yè)務(wù)的不同，有些需要采用分布式提交，提交意味著所有的操作均已完成。放棄意味著存在無法順利完成的操作，需要放棄，那些已執(zhí)行的操作也將撤銷，系統(tǒng)回滾到本次提交之前的狀態(tài)，即必須保證提交的原子性，這是保證數(shù)據(jù)一致性的重要前提。

4 基于Paxos算法的數(shù)據(jù)一致性模型

數(shù)據(jù)一致性模型從根本上來說是對(duì)任務(wù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之間的控制。正常情況下，執(zhí)行讀操作時(shí)，它期待該操作返回的是該數(shù)據(jù)在其最后一次寫操作之后的結(jié)果。為了保證業(yè)務(wù)正常、正確地進(jìn)行，需使所有服務(wù)器端的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)最終一致。對(duì)于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由鐵道部向下級(jí)服務(wù)器逐級(jí)復(fù)制；對(duì)于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，由車站向上級(jí)服務(wù)器逐級(jí)傳輸。本文基于Paxos算法提出了加強(qiáng)數(shù)據(jù)一致性的方案。

圖3為基于Paxos算法的數(shù)據(jù)一致性模型，處理流程如下：

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)按照由上向下的復(fù)制機(jī)制，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按照由下向上或同級(jí)間的傳輸機(jī)制。

（2）業(yè)務(wù)維護(hù)時(shí)，會(huì)在同步控制器存儲(chǔ)本次更新的記錄（編碼n，更新值newvalue），其中value值可以是表名加索引值，也可以是在業(yè)務(wù)維護(hù)時(shí)的校驗(yàn)值等。

（3）鐵道部、鐵路局、車站各級(jí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器作為節(jié)點(diǎn)集，通過Paxos算法推選出主節(jié)點(diǎn)。

（4）同步控制器（客戶端或工作流進(jìn)程）將本次更新的記錄（編碼n，更新值newvalue）向主節(jié)點(diǎn)發(fā)起更新申請(qǐng)。

（5）主節(jié)點(diǎn)比較最新一次更新的記錄（編碼m，更新值value），以下情況的更新是成功的：

value = newvalue，且m

value < > newvalue

（6）如果更新成功，說明新數(shù)據(jù)在某些節(jié)點(diǎn)不一致，發(fā)送消息給管理端，啟動(dòng)快照機(jī)制或者重新復(fù)制等手段保證最終數(shù)據(jù)的一致性。

圖3 基于paxos算法的數(shù)據(jù)一致性模型

5 結(jié)束語

鐵路客票系統(tǒng)的業(yè)務(wù)在不斷擴(kuò)展，為給旅客提供方便快捷的服務(wù)，客票系統(tǒng)對(duì)業(yè)務(wù)連續(xù)性提出了更高要求，因此數(shù)據(jù)的一致性和完整性尤顯重要。在云計(jì)算飛速發(fā)展的今天，其中的關(guān)鍵技術(shù)也被各個(gè)行業(yè)吸納，本文首先對(duì)其中的Paxos算法進(jìn)行了研究，建立了基于Paxos算法的數(shù)據(jù)一致性模型，該模型可以解決鐵路客票系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的一致性和完整性問題，進(jìn)一步提高客票系統(tǒng)的業(yè)務(wù)質(zhì)量。

[1] LAMPORT, L. Paxos made simple[J] . ACM SIGACT News 32, 4 (2001): 18-25.

[2] LAMPORT, L. The part-time parliament[J] . ACM TOCS 16, 2 (1998): 133-169.

[3] 趙黎斌. 面向云存儲(chǔ)的分布式文件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D] .西安：西安電子科技大學(xué)， 2011.