Lease机制是最重要的分布式协议，其最重要的应用：判定节点状态
（1）基于lease的分布式cache系统
l 设计原因：分布式系统中各种操作都依赖于元数据，若仅由中心服务器节点存储维护，则该节点的性能会成为系统的瓶颈。
l 设计思路：元数据cache，在各个节点上cache元数据信息，减少对中心服务器节点的访问，提高性能。
l 设计要求：各个节点上cache的数据要始终与中心服务器上的数据阈值，不能是旧的脏数据；cache系统要能最大可能的处理节点宕机、网络中断等异常，最大程度的提高系统的可用性。
l 基本原理：中心服务器在向各节点发送数据的同时向节点颁发一个lease，每个lease有一个有效期。
n 基于lease的cache，客户端节点读取元数据的流程
1. 判断元数据是否已经处于本地cache且lease处于有效期内
1.1 是：直接返回cache中的元数据
1.2 否：向中心服务器节点请求读取元数据信息
1.2.1 服务器收到读取请求后，返回元数据及一个对应的lease
1.2.2 客户端是否成功收到服务器返回的数据
1.2.2.1失败或超时：退出流程，读取失败，可重试
1.2.2.2成功：将元数据与对应lease记录到内存中，返回元数据
n 基于lease的cache，客户端节点修改数据流程
1. 节点向服务器发起修改元数据请求
2. 服务器收到修改请求后，阻塞所有新的读请求，即接收读请求，但不返回数据
3. 服务器等待所有与该元数据相关的lease超时
4. 服务器修改元数据并向客户端节点返回修改成功
l 容错关键：客户端cache元数据的唯一标准时lease超时，服务器只要等待lease超时就可以修改数据，而不破坏cache的一致性
l 优化改进：
a）对修改数据中的步骤2，服务器进入修改元数据流程后，一旦收到读请求，则只返回数据但不颁发lease，即用户只能读不能缓存；或lease有效期选已发出lease的最大有效期，用户既可以读，服务器也不用延长cache更新时间
b）针对步骤2带来的时延，可服务器主动通知各个持有lease的节点放弃lease并清除cache中的数据，若服务器收到确认放弃lease的消息，则不需等待该lease超时，若未收到，则继续等到即可，不影响正确性。
l cache机制与多副本机制的区别
相同点：都是将一份数据保存在多个节点上
不同点：
a）cache机制简单，可随时丢弃，其后果仅是需访问数据源读取数据
b）副本不能随意丢弃，每是去一个副本，服务质量都在下降，副本数下降到一定程度，服务将不再可用
（2）lease机制的分析
l lease定义：lease是由颁发者授予的在某一有效期内的承诺，颁发者一旦发出lease，则无论接收方是否收到，也无论后续接收方处于何种状态，只要lease不过期，颁发者一定严守承诺，另一方面，接收方在lease有效期内可以使用颁发者的承诺，但一旦lease过期，接收方一定不能继续使用颁发者的承诺
l 优点
n 有很高的容错能力
a）可容错网络异常，lease颁发是单向通信，可通过重发解决接收失败问题，一旦接受，后续不依赖网络通信，即使网络中断也无影响。
b）可容错节点宕机，宕机颁发者也无法改变之前承诺，恢复后可继续遵守，接收方宕机，只需等lease超时，收回承诺即可
n 不依赖于存储，持久化颁发的lease信息，可在宕机恢复后使有效期内lease继续有效，但这只是优化，继续不保存，也可通过等待最大lease时间使得所有lease失效，保证机制继续有效
l 缺点
lease机制依赖于有效期，要求颁发者和接收者时钟同步。
a）若颁发者时钟慢于接收者，则当接收者认为已过期时，颁发者认为依旧有效。
改进：接收者可在lease到期前申请新的lease
b）若颁发者时钟快于接收者，则当颁发者认为已过期时，接收者认为依旧有效。颁发者可能将lease发给其他节点，造成承诺失效，影响系统正确性。
改进：将颁发者有效期设的比接收者略大，只需大过时钟误差即可。
（3）基于lease机制确定节点状态
存在问题：
由于可能存在网络分化，拥塞，延迟，节点状态无法通过网络通信来确定，如监控节点确定primary节点故障，从而选新primary过程，就可能造成“双主”问题。
解决思路：
1. 设计的分布式协议可以容忍“双主”错误，即不依赖于对节点状态的全局一致性认识，或者全局一致性状态是全体协商后的结果，改用去中心化设计。
2. 利用lease机制，由中心节点向其他节点发送lease，若某个节点持有有效的lease，则认为该节点正常可以提供服务。
举例：如A/B/C周期发送heart beat报告自身装入，Q接收到heart beat后发一个lease，表示确定了A/B/C状态，并允许节点在lease有效期内正常工作，Q可以给primary节点一个特殊的lease，表示节点可以作为primary工作，一旦Q希望切换新的primary，只需等前一个primary的lease过期，则可安全颁发新的lease给新的primary节点，避免“双主”问题。
改进：中心节点不应该是一个，一旦宕机或网络异常，则所有节点没有lease，系统高度不可用，实际系统总是使用多个中心节点互为副本，成为一个小集群，具有高可用性，对外颁发lease功能，chubby和zookeeper都是这样设计的。
（4）lease的有效期时间选择
l 太短：如1s，一旦出现网络抖动lease很容易丢失，造成依赖lease 的服务不稳定
l 太长：如1min，一旦某节点宕机，需要较大时间等待lease过期才能发现节点异常
l 工程：一般时长10s级别，经验值
（5）工程投影
a）GFS中的Lease
GFS中使用Lease确定Chuck的Primary副本。Lease由Master节点颁发给primary副本，持有Lease的副本成为primary副本，控制该chuck的数据更新流量，确定并发更新操作在chuck上的执行顺序。GFS中的Lease信息由Master在响应各个节点的HeartBeat时附带传递（piggyback）。当GFS的master失去某节点的HeartBeat时，只需待该节点上的primarychuck的lease超时，就可以为这些chuck重新选择primary副本并颁发lease
b）Niobe中的Lease
l Niobe中也是通过lease机制维持primary副本的选择，不同的是Niobe中的lease是由secondary节点向primary发送。
l Niobe中有一个高可用的全局元数据服务节点称为GSM（global state manager），其上的元信息有唯一地址的版本号（称为epoch），每次更新该元信息都必须附带提交之前读取到的版本号，并进行condition-write，即GSM会检验客户节点提交的版本号是否与当前的版本号相同，若相同则允许提交更新操作，并递增版本号，否则更新失败，从而实现了元信息更新的全局顺序一致
l 在Niobe协议中，每个Sencondary副本都会给Primary副本发Lease，含义是，在Lease时间内，本副本承认你是Primary节点。一旦出现primary失去某个secondary的lease，primary和secondary都尝试kill对方，secondary在kill对方的同时还尝试成为新的primary。当primary失去某secondary的lease后，primary会立刻尝试修改GSM中的元信息，将该secondary在元信息中标记为“不可用”，从而kill掉secondary，被kill掉的secondary只有重新与primary同步后才会被重新标记为“可用”并提供服务。而当某个secondary因不能与primary通信，造成无法给primary发送lease后，在lease超时后，也会尝试修改GSM，将primary标记为“不可用”且将primary设置为自己。由于在GSM上更新操作靠epoch实现全局一致。primary与secondary相互kill对方的操作有且只有一个会成功，失败的那个副本需重新读取GSM的元数据后才能发起新的更新元数据操作，如果被对方kill，那么重新读取元数据时会发现自己已经被设置为“不可用”从而无法再kill对方。
c）Chubby与Zookeeper中的Lease
l Chubby中有两处使用到Lease机制
1. chubby通过paxos协议实现去中心化的选择primary节点，一旦某节点获得了超过半数的节点认可，该节点成为primary节点，其余节点成为secondary节点。secondary节点向primary节点发送lease，含义是“承诺在lease时间内，不选举其他节点成为primary节点”。只要primary节点持有超过半数节点的lease，那么剩余的节点就不能选举出新的primary。一旦 primary 宕机，剩余的secondary 节点由于不能向 primary 节点发送 lease，将发起新的一轮 paxos选举，选举出新的 primary 节点。这种由secondary 向 primary 发送lease 的形式与 niobe 的 lease 形式有些类似。
2.primary节点也会向每个client节点办法lease，含义是“确定client的死活状态”，一个client只有具有合法的lease，才能与chubby中的primary进行读写操作。一个client如果占有chubby中的一个节点锁后lease超时，那么这个client占有的chubby锁会被自动释放，从而实现了利用chubby对节点状态进行监控的功能。另外，chubby中client中保存有数据的cache，故此chubby的primary为cache的数据颁发cache lease，上两个lease可合并为一个。
l Zookeeper中的Lease机制
secondary不向primary发送lease，当发现没有primary时，secondary会发起新的paxos选举，只要primary和secondary工作正常，新选举由于缺少多数secondary参加而不会成功。
primary节点会向client颁发lease，时间正是zookeeper中的session时间。在zookeep中，临时节点是与session的生命期绑定的，当一个client的session超时，那么这个client创建的临时节点会被自动删除。通过监控临时节点的状态，也容易实现对节点状态的控制。
d）间接使用Lease
直接实现 lease机制的确会对增加系统设计的复杂度。然而，由于有类似 Zookeeper 这样的开源的高可用系统，在工程中完全可以间接使用 Lease。借助 zookeeper，我们可以简单的实现高效的、无单点选主、状态监控、分布式锁、分布式消息队列等功能，而实际上，这些功能的实现都是依赖于背后 zookeeper与 client 之间的 Lease 的。