Raft分布式一致性算法

news2024/10/6 12:26:22

拜占庭将军

假设多位拜占庭将军中没有叛军，信使的信息可靠但有可能被暗杀的情况下，将军们如何达成是否要进攻的一致性决定？解决问题的思路是，从多位处于平等地位的将军中选举出一位大将军，所有作战指令由大将军发出。如果这位大将军被杀，那么只需要从剩下的将军中再次选举出大将军即可。这就是解决分布式共识问题的思路。如何选举、指令如何传达则是实现分布式共识的手段。下面我们尝试推演一下这个过程。

假设拜占庭有三座城池，由3位将军掌管，每位将军都在等消息，等待了一个随机时间后，如果没收到任何消息，将派出自己的信使向另外两位将军发起自己当大将军的投票。其它将军如果收到了将军的投票请求，默认会将自己的一票投给信使最先到达的将军，后到者则拒绝。所有将军都是这个做法，那么最终必定能选出一个大将军。选出后，后面的作战指令就通过信使定期向其它将军发出，如果超过预设时间没收到指令，则认为大将军已死，苍天已死，黄天当立，剩下的将军们开始新一轮拉票当大将军活动.....

基本上，分布式共识或说分布式数据一致性大体上是按上面的思路来实现的。

分布式共识

假设我们对单一的节点就某个值进行写操作，是很容易达成共识的，毕竟只有一个节点，写成功了就达成一致。但是，如果我们有多个节点，我们该如何达成共识呢？

这个就是分布式共识问题。例如mongodb副本机制，写入一个文档是需要在所有副本节点之间进行同步的，但节点间的数据如何同步，哪个节点提供读或写服务？这些都涉及到分布式共识问题，分布式共识问题可以简单理解成在一个多节点数据集群中（此集群有可能出现分区），如何对数据进行同步，使所有节点的数据达到一致的问题。

共识算法通常具备如下特性：

高可用。只要集群中多数节点是可用、与客户端的通信也是正常的，那么整个系统就是正常可用的，少数节点故障并不会影响系统的运行。
强一致性。数据一致性不依赖时序，最坏的情况会产生可用性问题，但不会产生一致性问题。

Raft

raft是一个用于实现分布式共识的协议。

节点状态

在一个使用Raft共识算法的集群中，集群节点会存在三个节点状态，分别是Follwer、Candidate、Leader。

Follwer：接受 Leader 的心跳和日志同步数据，投票给 Candidate
Candidate：Leader候选角色，Follwer倒计时时钟结束转化成Candidate，可发起投票参与Leader竞选
Leader：集群领导角色，负责发起心跳，响应客户端，创建日志，同步日志

在一个非分区集群中，只会有一个Leader（网络分区可能会造成出现多个leader的情况），剩下的都是Follwer，Candidate只会出现在集群选举过程中，成功获取多数票的Candidate节点直接成为Leader。

任期

任期是一个连续递增的数字，每一个任期的开始都是一次选举，在选举开始时，一个或多个 Candidate 会尝试成为 Leader。如果一个 Candidate 赢得了选举，它就会在该任期内担任 Leader。如果没有选出 Leader，将会开启另一个任期，并立刻开始下一次选举。

每个节点都会存储当前的 term 号，当服务器之间进行通信时会交换当前的 term 号；如果有服务器发现自己的 term 号比其他人小，那么他会更新到较大的 term 值。如果一个 Candidate 或者 Leader 发现自己的 term 过期了，他会立即退回成 Follower。如果一台服务器收到的请求的 term 号是过期的，那么它会拒绝此次请求。

日志

entry：每一个事件成为 entry，只有 Leader 可以创建 entry。entry 的内容为<term,index,cmd>其中 cmd 是可以应用到状态机的操作。
log：由 entry 构成的数组，每一个 entry 都有一个表明自己在 log 中的 index。只有 Leader 才可以改变其他节点的 log。entry 总是先被 Leader 添加到自己的 log 数组中，然后再发起共识请求，获得同意后才会被 Leader 提交给状态机。Follower 只能从 Leader 获取新日志和当前的 commitIndex，然后把对应的 entry 应用到自己的状态机中。

Leader选举过程

开始选举时，所有节点处于Follwer状态，节点会有一个随机倒计时时钟（随机时间在150ms到300ms内），这个随机时钟是为了有节点能更快的达到Candidate状态发出选举，从而成为Leader。避免可能出现的多个节点同时成为Candidate从而导致选举效率低下问题。

当某节点election timeout心跳结束，但没收到主节点的心跳信息，它就会转成Candidate 。

此时，NodeA成为Candidate并开启亲的任期，然后向B、C节点发起投票

此时如果B、C的任期小于收到的1，自身也还没成为Candidate，此时B、C将票投到A。B、C重置election timeout时钟。在 Candidate 等待选票的时候，它可能收到其他节点声明自己是 Leader 的心跳，此时有两种情况：

该 Leader 的 term 号大于等于自己的 term 号，说明对方已经成为 Leader，则自己回退为 Follower。
该 Leader 的 term 号小于自己的 term 号，那么会拒绝该请求并让该节点更新 term。

收到选票的A获得集群大多数票(N/2+1)，成功转成Leader，并向集群其它节点定期发送心跳（heartbeat timeout）以保住自己的Leader地位。

其他节点收到心跳（Append Entries）后响应主节点然后再次重置election timeout时钟。这个选举任期将持续到Follwer心跳time_out而成为Candidate。

主节点下线后，集群就会出现重选举，新选出的Leader的任期递增。正常情况下，获取多数票的节点成为主节点，但如果出现偶数节点时，可能会出现两个节点获取了相同票数的情况。

比如上面的情况，A、C加上自身的票数，都是2票，此时这个任期是选不出Leader的。只能重新发起一轮选举。如此反复，最终选出一个Leader。

可见，Raft协议下，节点无论是奇数还是偶数都是能正常选举出Leader的，但是偶数节点容易出现选票僵持的情况，从性能上考虑，使用奇数节点去部署集群是较好的选择。

日志复制

在上面的描述中，当集群选举出节点后，主节点会通过广播心跳到其它节点以保住自己的Leader地位，在这个过程，Leader的心跳包会携带Append Entries，这个Append Entries通常只是作心跳保持使用，但当主节点出现数据变化时，主节点在下一次的心跳中，将数据变化写到Append Entries，其它节点收到后先写到节点日志中，但数据处于uncommit状态，当然，此时主节点的数据也是uncommit，直到收到所有节点的响应，主节点的数据直接转成commit状态。