Il consenso distribuito è un concetto fondamentale nella progettazione di sistemi distribuiti, dove più nodi o server devono raggiungere un accordo su uno stato comune, nonostante possano verificarsi guasti o comunicazioni inaffidabili. Due dei protocolli più noti per ottenere il consenso sono Paxos e Raft, entrambi progettati per affrontare le sfide della consistenza e della disponibilità in ambienti distribuiti. Questi protocolli non solo garantiscono che tutti i nodi concordino su un valore specifico, ma lo fanno in modo da rimanere resilienti anche in caso di malfunzionamenti di alcuni dei nodi del sistema.

Paxos è stato introdotto per la prima volta in un articolo di Leslie Lamport nel 1978. È un protocollo che si basa su una serie di fasi in cui i nodi devono comunicare tra loro per raggiungere un consenso. Il processo di Paxos è diviso in tre fasi principali: la fase di proposta, la fase di accettazione e la fase di decisione. In questa struttura, un nodo chiamato proponente propone un valore, mentre altri nodi, chiamati accettatori, possono accettare o rifiutare la proposta. Se un numero sufficiente di accettatori accetta la proposta, il valore viene deciso.

Raft, sviluppato da Diego Ongaro e John Ousterhout nel 2013, è stato progettato per essere più comprensibile e implementabile rispetto a Paxos. Raft suddivide il problema del consenso in tre sottoproblemi: la scelta di un leader, la registrazione delle log e la replicazione. In Raft, c'è sempre un leader eletto tra i nodi, e tutte le modifiche vengono propagate attraverso di lui. Questo approccio semplifica la comprensione del protocollo e rende più facile il debugging. Raft è anche progettato per gestire i fallimenti in modo più intuitivo, permettendo una facile riconfigurazione del sistema quando un nodo fallisce o viene aggiunto.

Un esempio di utilizzo di Paxos può essere trovato in sistemi di storage distribuito come Google Chubby, che utilizza Paxos per gestire la sincronizzazione e l'accesso ai metadati. Chubby è un servizio di lock distribuito che consente a diverse applicazioni di coordinarsi e condividere risorse. Grazie a Paxos, Chubby è in grado di garantire che tutte le operazioni su queste risorse siano eseguite in modo coerente, anche in presenza di guasti.

Raft, d'altra parte, è stato adottato in vari sistemi come Etcd e Consul. Etcd, un sistema di archiviazione chiave-valore distribuito, utilizza Raft per garantire che tutte le scritture siano replicate in modo consistente tra i nodi. Questo è particolarmente utile in ambienti cloud e containerizzati, dove la configurazione e la scoperta dei servizi devono essere gestite in modo affidabile. Consul, un altro sistema di gestione dei servizi, sfrutta Raft per mantenere la coerenza tra le informazioni sui servizi distribuiti in un ambiente di microservizi.

Un aspetto interessante di questi protocolli è la loro capacità di gestire la tolleranza ai guasti. In Paxos, un numero maggiore della metà degli accettatori deve accettare una proposta affinché venga considerata valida. Questo significa che se ci sono N accettatori, almeno (N/2) + 1 di essi devono essere operativi affinché il consenso possa essere raggiunto. Raft, con il suo approccio basato su un leader, richiede che il leader stesso sia attivo e raggiungibile. Se il leader va offline, gli altri nodi si avviano automaticamente per eleggere un nuovo leader, consentendo così al sistema di continuare a funzionare.

In termini di formule, se consideriamo N come il numero totale di nodi del sistema, possiamo affermare che per Paxos il numero minimo di nodi necessari per raggiungere il consenso è dato dalla formula (N/2) + 1. Questo numero garantisce che, anche in caso di guasti, ci sia un numero sufficiente di nodi attivi per prendere una decisione. Per Raft, il concetto di leader è cruciale: se il leader non è in grado di comunicare con una parte sufficiente degli accettatori, deve avvenire un'elezione per determinare un nuovo leader, garantendo che il sistema continui a operare.

Il lavoro su Paxos ha coinvolto numerosi ricercatori e ingegneri nel corso degli anni, con Lamport che è stato una figura chiave nel suo sviluppo iniziale. Paxos ha ispirato vari altri protocolli e approcci al consenso, portando a un'abbondanza di ricerche e implementazioni nel campo dei sistemi distribuiti. Raft, d'altra parte, è stato sviluppato da Ongaro e Ousterhout mentre erano alla Stanford University, ed è stato progettato per risolvere le difficoltà di comprensione e implementazione di Paxos. La loro ricerca ha portato a una crescente adozione di Raft in ambienti di produzione, grazie alla sua semplicità e robustezza.

Entrambi i protocolli hanno un impatto significativo nel campo dei sistemi distribuiti, e la loro applicazione continua a crescere mentre sempre più organizzazioni si affidano a architetture distribuite per gestire i dati e i servizi. La comprensione di Paxos e Raft è fondamentale per gli ingegneri del software che lavorano con sistemi distribuiti, in quanto questi protocolli non solo forniscono una base per garantire la coerenza dei dati, ma anche per costruire applicazioni resilienti e scalabili in ambienti complessi. La scelta tra Paxos e Raft dipende spesso dalle esigenze specifiche di un'applicazione e dalla familiarità del team con i rispettivi protocolli.

In sintesi, i protocolli di consenso come Paxos e Raft rappresentano pilastri fondamentali nella costruzione di sistemi distribuiti affidabili e resilienti. La loro capacità di garantire coerenza e tolleranza ai guasti è essenziale per il funzionamento di molte applicazioni moderne, rendendo la loro comprensione e implementazione una competenza cruciale per gli ingegneri e i progettisti di sistemi distribuiti.