鐵路客票系統中基于Paxos算法的數據一致性模型研究

王紅愛，祝紅光，賈新茹

（中國鐵道科學研究院電子計算技術研究所，100081）

鐵路客票發送和預定系統（簡稱客票系統）自1996年應用以來，已經建成了鐵道部、地區中心、車站三級分布式結構。系統擁有以市場需求為導向的客票銷售體系，滿足旅客的不同需求。本系統每日與海量數據進行交互，這些數據是客票系統發展的基礎，從應用的角度來說，分為基礎數據和業務數據。基礎數據一般包括站名字典、線路字典、票價基礎價率等相對穩定的數據，由鐵道部全表復制到各中心和各車站，而業務數據一般包括存根、席位、財收等動態數據，根據統計的要求由車站級或中心級向上級單位逐級傳輸。基礎數據的一致性要求非常強，需要嚴格一致，關鍵數據的丟失會影響售票業務的正常進行。而業務數據的丟失會造成鐵路局、鐵道部報表的統計數據不完整，對分析運營結果和制定運營策略產生不利影響。云計算的Paxos算法可以解決分布式系統中的一致性問題。本文分析了客票系統的數據架構，介紹了目前客票系統保證數據一致性的技術，建立了基于Paxos算法的數據一致性模型，可以有效解決客票系統數據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。用來解決一個分布式系統如何就某個值（決議）達成一致的問題。

一個典型的場景是，在一個分布式數據庫系統中，如果各節點的初始狀態一致，每個節點都執行相同的操作序列，那么他們最后能得到一個一致的狀態。在該算法中規定了3種角色（proposers，acceptors，和 learners）和2個階段（accept和learn）。其中proposers 提出決議，acceptors批準決議，learners獲取并使用已經通過的決議。在這種情況下，滿足以下3個條件[3]就可以保證數據的一致性：

（1）決議只有在被 proposers 提出以后才能批準。

（2）每次只批準一個決議。

（3）只有決議確定被批準后learners才能獲取這個決議。

圖1為Paxos算法的模型簡圖。

圖1 Paxos算法的模型簡圖

Paxos算法實現時proposer向acceptors組發起請求告知需批準的編號n，獲取acceptors多數派最新一次批準的最大編號m，如果此次提案編號n大于m，則acceptors根據收到的請求承諾不再批復編號小于n的提案，在收到該提案時即批準該請求，此時learner才能獲取該提案。

2 數據復制與傳輸管理

數據復制（replication）和傳輸管理（DBCS）是客票分布式數據系統的2種技術手段。客票系統利用Sybase的復制服務器將數據從主站點復制到其他站點，通過在主點建立數據復制定義，在復制點建立復制約定，自動地把對主點數據的操作通過復制機制作用到復制點數據上。數據傳輸管理主要完成分布式數據庫之間數據的相互透明傳送，從而在分布式數據庫之間實現數據的一致性和完整性，屬于松散一致性的數據耦合機制。

2.1 數據復制

客票系統利用的復制服務器來完成復制功能。復制數據會在整個系統中有多份數據影像，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的復制節點都做好了提交準備才去提交，而松散一致性對于事物的執行主點和復制點總是會有延遲。數據復制具有以下優點：

（1）高可用性

如果有一個節點出錯，其他節點可以接管它的工作，不會使整個系統停止工作。

（2）提高系統的擴展能力

通過把負載分布到多個節點上，或者增加節點來提高系統的擴展能力。

（3）高性能

復制服務器提供一種機制，復制系統是獨立的，不會給各節點服務器造成負擔。同時客戶端可以訪問就近的節點，提高了用戶訪問速度。

2.2 數據傳輸

客票系統擁有自主開發的傳輸中間件（DBCS），主要根據用戶定制，從源節點數據庫按照一定的規則導出數據，傳輸到目的節點服務器，再按照導入定義將文件導入到相應的數據庫中，完成日常數據在各節點之間的傳送。包括原始業務數據向上級節點傳輸，同級節點之間的傳輸，消息類數據向下級節點傳輸等場景。

3 客票系統客戶端與服務端架構

圖2 客票系統客戶端與服務器端的結構圖

如圖2，以售票為例，當客戶端要完成售票業務，需要分別向車站、鐵路局、鐵道部各級不同數據庫發出指令，由于網絡等原因，如果各服務器基礎數據或者業務類數據不一致，可能會造成業務停滯，或者產生錯誤的結果，比如改點調令沒有復制到車站，會造成票面開車時間不正確，導致旅客漏乘列車。為了使全路客票發售系統能夠正常運營，數據的一致性尤顯重要。在分布式系統中Paxos算法最大的用途就是保持多個節點數據的一致性。

客票系統是一個龐大的信息系統，根據業務的不同，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，那些已執行的操作也將撤銷，系統回滾到本次提交之前的狀態，即必須保證提交的原子性，這是保證數據一致性的重要前提。

4 基于Paxos算法的數據一致性模型

數據一致性模型從根本上來說是對任務和數據存儲之間的控制。正常情況下，執行讀操作時，它期待該操作返回的是該數據在其最后一次寫操作之后的結果。為了保證業務正常、正確地進行，需使所有服務器端的基礎數據最終一致。對于基礎數據，由鐵道部向下級服務器逐級復制；對于業務數據，由車站向上級服務器逐級傳輸。本文基于Paxos算法提出了加強數據一致性的方案。

圖3為基于Paxos算法的數據一致性模型，處理流程如下：

（1）基礎數據按照由上向下的復制機制，業務數據按照由下向上或同級間的傳輸機制。

（2）業務維護時，會在同步控制器存儲本次更新的記錄（編碼n，更新值newvalue），其中value值可以是表名加索引值，也可以是在業務維護時的校驗值等。

（3）鐵道部、鐵路局、車站各級數據庫服務器作為節點集，通過Paxos算法推選出主節點。

（4）同步控制器（客戶端或工作流進程）將本次更新的記錄（編碼n，更新值newvalue）向主節點發起更新申請。

（5）主節點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，說明新數據在某些節點不一致，發送消息給管理端，啟動快照機制或者重新復制等手段保證最終數據的一致性。

圖3 基于paxos算法的數據一致性模型

5 結束語

鐵路客票系統的業務在不斷擴展，為給旅客提供方便快捷的服務，客票系統對業務連續性提出了更高要求，因此數據的一致性和完整性尤顯重要。在云計算飛速發展的今天，其中的關鍵技術也被各個行業吸納，本文首先對其中的Paxos算法進行了研究，建立了基于Paxos算法的數據一致性模型，該模型可以解決鐵路客票系統中數據的一致性和完整性問題，進一步提高客票系統的業務質量。

[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. 面向云存儲的分布式文件系統關鍵技術研究[D] .西安：西安電子科技大學， 2011.