分布式數(shù)據(jù)庫兩階段提交協(xié)議研究與改進

劉冉 布輝

摘要：分布式數(shù)據(jù)庫具有可靠性和并行性等優(yōu)點。在實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)庫的過程中需要解決的最關(guān)鍵的問題是保證分布式事務(wù)的原子性、一致性、隔離性和持久性。兩階段提交協(xié)議可以解決這個問題，但是也存在一些缺陷。研究分布式數(shù)據(jù)庫的事務(wù)處理機制，對基本兩階段提交協(xié)議所存在問題做了詳細的分析并提出了一種兩階段提交協(xié)議的改進方案。

關(guān)鍵詞：分布式數(shù)據(jù)庫；事務(wù)；兩階段提交協(xié)議；阻塞

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)15-3500-03

Research and Improvement of Distributed Database Two-phase Commitment Protocol

LIU Ran，BU Hui

(School of Software, North China University of Water Conservancy and Electric Power,Zhengzhou 450008, China)

Abstract：The distributed database has the advantage of reliability and parallelism. Under the complex environment of distributed database systems, how to guarantee the distributed transaction atomicity, consistency, isolation and durability in the system realization, which are the key problem to solve. Two phase commitment protocol can solve this problem, but there are some defects. This thesis is on research of the distributed database affairs dealing mechanism, analysis of the problems existing in the basic two-phase commitment protocol, and putting forward one improvement program for a two-phase commitment protocol.

Key words: distributed database; affairs; two-phase commitment protocol; blocking

分布式事務(wù)具有原子性、一致性、隔離性和持久性。在分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，分布式事務(wù)在各站點中被分解為子事務(wù)來執(zhí)行。各子事務(wù)或者全部提交，或者全部撤銷，不允許出現(xiàn)部分子事務(wù)提交了而其它子事務(wù)撤銷的情況。為了達到這個目標，分布式事務(wù)處理程序利用兩階段提交協(xié)議來保證分布式事務(wù)的ACID特性，使分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具備相當?shù)目煽啃院涂捎眯浴?/p>

1基本兩階段提交協(xié)議(2PC)

在基本2PC協(xié)議中，分布式事務(wù)處理程序要任命一個協(xié)調(diào)者，該協(xié)調(diào)者負責分布式事務(wù)的提交或中止。該協(xié)調(diào)者一般由分布式事務(wù)的始發(fā)站點上的代理者擔任，其它站點上的代理者被稱為分布式事務(wù)的參與者，每個參與者負責其局部事務(wù)并向協(xié)調(diào)者提出提交或中止事務(wù)的請求。

基本2PC協(xié)議的基本思想是只有全部子事務(wù)均提交的情況下分布式事務(wù)才會提交；如果有一個參與者不能提交其子事務(wù)則全部子事務(wù)都中止。保證所有參與者做出提交或撤銷子事務(wù)的統(tǒng)一決定?；?PC協(xié)議由兩個階段組成，第一階段做出提交或撤銷全部子事務(wù)的決定，稱之為決策階段；第二階段執(zhí)行第一階段的決定，稱之為執(zhí)行階段。

在基本2PC協(xié)議的第一階段，協(xié)調(diào)者給所有的參與者發(fā)消息進入預(yù)提交階段，如果參與者就緒了并同意提交，就回答“提交”。在發(fā)送預(yù)提交命令之前，協(xié)調(diào)者要在日志中寫入預(yù)提交記錄以及所有參與者的子事務(wù)標識，然后協(xié)調(diào)者進入等待回應(yīng)狀態(tài)并啟動計時器。當一個參與者回答“準備提交”時，要保證在其它站點故障時也能提交子事務(wù)。因此，在各子事務(wù)所在站點的日志中要記錄以下內(nèi)容:

1)本站點提交子事務(wù)所需的全部運行記錄。

2)該子事務(wù)已準備就緒的記錄。

以上兩點保證該子事務(wù)的狀態(tài)不受其它站點故障的影響。

在執(zhí)行階段，當協(xié)調(diào)者做出決定后，會在日志中寫入“全部提交”或“全部撤銷”記錄。這保證分布式事務(wù)會統(tǒng)一提交或撤銷，然后協(xié)調(diào)者向所有的參與者發(fā)送“提交”或“撤銷”命令。

所有的參與者根據(jù)協(xié)調(diào)者的命令將“提交”或“撤銷”記錄寫入本站點日志中。同時執(zhí)行“提交”或“撤銷”命令并向協(xié)調(diào)者發(fā)送“執(zhí)行”消息。

協(xié)調(diào)者從所有參與者處收到執(zhí)行消息，在日志中寫入“完成”記錄，至此分布式事務(wù)完成。

2基本兩階段提交協(xié)議問題分析

在基本2PC協(xié)議中，參與者在同意提交之前，可以任意終止自己的子事務(wù)。而在參與者確定了子事務(wù)的提交或撤銷后，就不能再更改它的建議，必須等待協(xié)調(diào)者的最終決策。在這個期間，協(xié)調(diào)者和參與者都進入相互等待對方發(fā)送消息的狀態(tài)，當與協(xié)調(diào)者和參與者相關(guān)的通信網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，特別是發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時，就很容易引發(fā)事務(wù)處理的非正常阻塞現(xiàn)象，這時該事務(wù)所占用的資源長期不能或根本不能釋放，占用其它事務(wù)的資源，影響其它事務(wù)的處理，降低了系統(tǒng)的工作效率和可靠性。

另外，如圖1所示，協(xié)調(diào)者非常關(guān)鍵，如果協(xié)調(diào)者發(fā)生故障，勢必會對嚴重影響全局事務(wù)。協(xié)調(diào)者和參與者需要通過網(wǎng)絡(luò)傳遞準備提交、建議提交或撤銷、全局提交或撤銷和提交或撤銷信息。當參與者較多時，協(xié)調(diào)者要與每一個參與者直接進行通信，處理信息量大，響應(yīng)時間就會長。這時協(xié)調(diào)者就會成為事務(wù)處理的瓶頸。網(wǎng)絡(luò)也會出現(xiàn)不穩(wěn)定或有故障的現(xiàn)象，由此也會引發(fā)事務(wù)處理的非正常阻塞狀態(tài)。

圖1基本2PC協(xié)議站點關(guān)系示意圖

由以上分析可見，非正常阻塞是影響基本2PC協(xié)議性能的關(guān)鍵因素。如果要提高分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的工作效率和可靠性，就必須降低非正常阻塞的發(fā)生幾率，并盡可能的減少已出現(xiàn)的非正常阻塞對系統(tǒng)的影響。

3兩階段提交協(xié)議的一些改進

為了減輕了協(xié)調(diào)站點的負擔，防止協(xié)調(diào)者出錯造成事務(wù)無法完成，并縮短各子事務(wù)并行處理的響應(yīng)時間，確保協(xié)調(diào)者和參與者能夠從非正常阻塞狀態(tài)中退出并終止。本文對基本兩階段提交協(xié)議做了如下改進：

1）提供一個輔助協(xié)調(diào)者站點，在協(xié)調(diào)者站點出現(xiàn)故障的情況下接替協(xié)調(diào)者的職能，完成事務(wù)處理。

2）為每個進程設(shè)置一個定時器。如果某個進程所期待的消息在計時器超時之前還未到達，就進行超時處理，從而提高分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)效率、可靠性和可用性。

改進后的方案中，在進行分布式事務(wù)處理時，由系統(tǒng)選定一個協(xié)調(diào)者、一個輔助協(xié)調(diào)者和完成該事務(wù)所需的所有參與者。在第一階段，協(xié)調(diào)者向輔助協(xié)調(diào)者和所有參與者發(fā)送命令，并將輔助協(xié)調(diào)者的地址和所有參與者的地址作為附加信息在命令中一起發(fā)送。協(xié)調(diào)者將命令發(fā)出后就立即啟動定時器并進入等待狀態(tài)，等待接收參與者發(fā)回的回應(yīng)消息。如果參與者在收到消息前發(fā)生站點故障，參與者站點會先自行進行故障恢復(fù)，如不能恢復(fù)，則直接終止全局事務(wù)，這樣可以減少無謂事務(wù)的提交。如果參與者正常，參與者收到命令后，根據(jù)定時器的時間限制和本地資源情況向本地站點申請進行子事務(wù)提交所需的本地資源。如果本地資源符合事務(wù)提交條件，則發(fā)送“建議提交”消息，同時啟動定時器，進入等待狀態(tài)，等待協(xié)調(diào)者發(fā)送全局事務(wù)的最終決策；如果參與者沒有申請到足夠的進行子事務(wù)提交的本地資源，則向協(xié)調(diào)者發(fā)送“建議撤銷”消息，并撤銷本地資源的申請。在第二階段中，協(xié)調(diào)者如果在定時器規(guī)定的時間內(nèi)未能收到所有參與者的消息，則全局事務(wù)撤銷；如果協(xié)調(diào)者收到所有參與者的消息，則根據(jù)參與者發(fā)過來的消息是提交還是撤銷來做出全局事務(wù)的決策。如果收到的參與者發(fā)送的消息均為“建議提交”，則協(xié)調(diào)者通過輔助協(xié)調(diào)者向所有參與者發(fā)送“全局提交”命令，否則協(xié)調(diào)者通過輔助協(xié)調(diào)者向那些發(fā)送“建議提交”的參與者發(fā)送“全局撤銷”的命令，同時將上述操作記入日志中。在執(zhí)行階段中，參與者如果在定時器規(guī)定的時間內(nèi)，收到協(xié)調(diào)者關(guān)于全局事務(wù)的最終決策，則按照協(xié)調(diào)者的命令進行相應(yīng)的事務(wù)處理。否則，參與者根據(jù)初始命令報文中的輔助協(xié)調(diào)者地址和其它參與站點地址向這些站點詢問協(xié)調(diào)者的最終決策，根據(jù)得到的回復(fù)來決定提交或撤銷事務(wù)。同時將操作確認信息發(fā)送給協(xié)調(diào)者。參與者也要將上述操作記入本地日志中，在出現(xiàn)站點故障時用來進行重啟恢復(fù)。最后，協(xié)調(diào)者等待收到所有參與者發(fā)回的確認信息后再在日志中寫入“事務(wù)結(jié)束”記錄。

如圖2所示，協(xié)調(diào)者向輔助協(xié)調(diào)者和各個參與者發(fā)送命令，所有參與者如果正常工作并建議提交，則由輔助協(xié)調(diào)者把建議發(fā)送給協(xié)調(diào)者。這樣相比于基本2PC協(xié)議中在各站點能正常通信并且無故障的時候確實增加了報文通信，但是當協(xié)調(diào)者發(fā)生故障時卻可以保證整個系統(tǒng)的可靠運行。假如協(xié)調(diào)者收到各參與者發(fā)來的建議消息后發(fā)生故障時，協(xié)調(diào)者無法與輔助協(xié)調(diào)者通信，這時輔助協(xié)調(diào)者會根據(jù)系統(tǒng)的超時控制機制來確定協(xié)調(diào)者出現(xiàn)故障，由于輔助協(xié)調(diào)者記錄有所有參與者的建議信息，輔助協(xié)調(diào)者可以執(zhí)行協(xié)調(diào)者的職能。輔助協(xié)調(diào)者在執(zhí)行協(xié)調(diào)者職能時協(xié)調(diào)者有可能恢復(fù)故障，這時系統(tǒng)中就會出現(xiàn)兩個協(xié)調(diào)者，為防止這種情況發(fā)生，輔助協(xié)調(diào)者首先發(fā)送一條消息給協(xié)調(diào)者表示要執(zhí)行協(xié)調(diào)者的職能，即使協(xié)調(diào)者后來排除故障恢復(fù)了，它首先要處理來自輔助協(xié)調(diào)者的這條消息，協(xié)調(diào)者收到這條消息后就放棄協(xié)調(diào)者角色，進入等待狀態(tài)。輔助協(xié)調(diào)者根據(jù)剛才收到的所有參與者建議消息作出提交或撤銷事務(wù)的決策。當事務(wù)結(jié)束后，輔助協(xié)調(diào)者要發(fā)送一條消息給協(xié)調(diào)者表示事務(wù)結(jié)束，輔助協(xié)調(diào)者也就不再執(zhí)行協(xié)調(diào)者的職能。如果當輔助協(xié)調(diào)者在發(fā)送決策命令后發(fā)生故障，就不能執(zhí)行該事務(wù)也不能把事務(wù)結(jié)束的信息發(fā)給協(xié)調(diào)者，系統(tǒng)會根據(jù)超時控制機制判斷輔助協(xié)調(diào)者已經(jīng)發(fā)生故障，這時協(xié)調(diào)者如果恢復(fù)了就會退出等待狀態(tài)，重新執(zhí)行協(xié)調(diào)者職能，協(xié)調(diào)者也會首先發(fā)送一條消息給輔助協(xié)調(diào)者表示要重新執(zhí)行協(xié)調(diào)者職能，協(xié)調(diào)者會根據(jù)日志記錄重新發(fā)送決策給所有參與者繼續(xù)把事務(wù)完成。

圖2 2pc改進方案中各站點關(guān)系示意圖

在改進方案中，各參與站點在全局事務(wù)發(fā)起前會進行故障檢測，如有站點發(fā)生故障則重啟恢復(fù)，避免無用的事務(wù)提交。在協(xié)議進行的各個階段普遍采用超時控制機制來檢測故障，防止多個站點出現(xiàn)長時間互相等待，當部分站點出現(xiàn)故障而引發(fā)超時情況時，正常站點可以通過終止程序終結(jié)事務(wù)，減少因等待導致的阻塞狀況出現(xiàn)。輔助協(xié)調(diào)站點的使用減少了協(xié)調(diào)站點的負擔，而且在協(xié)調(diào)站點發(fā)生故障失效時轉(zhuǎn)變職能成為新協(xié)調(diào)者，使參與者可立即結(jié)束等待狀態(tài)，從另一方面減少了阻塞情況的出現(xiàn)。

4結(jié)束語

基本兩階段提交協(xié)議（2PC）在分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(xiàn)中被廣泛采用，但因其容易引起阻塞狀態(tài)等缺陷而影響系統(tǒng)的工作性能。本文針對基本2PC協(xié)議的實現(xiàn)方法的不足，提出了一個改進方案。這種方案可以有效減少非正常阻塞發(fā)生的幾率并提高分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的性能。

參考文獻：

[1]邵佩英.分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京:科學出版社,2000.

[2]熊燕群,白似雪.DDBMS的兩階段提交協(xié)議中阻塞問題的解決方案[J].計算機應(yīng)用與軟件,2006,23(5).

[3]宋靜,劉心松，賴周建,等.一種改進的2PC協(xié)議及其性能[J].微計算機信息,2006(22):3-4.

[4]趙淑芳.分布式數(shù)據(jù)庫事務(wù)處理[J].機械管理開發(fā),2006(4): 33-37.

[5]胡勇,陳炬華.分布式數(shù)據(jù)庫的事務(wù)協(xié)議[J].情報雜志,2004(2)：23-27.

[6] Weihal Wu,Yan Wang,Cahon Pu.Two Phase Commit Protocol for Self Adapting Service[J].IEEE,2004.