raft协议详解

1. 复制状态机

 

复制状态机，就是说每一台服务器上维持着一份持久化Log，然后 通过一致性协议算法，保证每一个实例中的Log保持一致，并且顺序存放，这样客户端就可以在每一个实例中读取到相同的数据。

如上图所示，有一个Consensus Module就是一致性协议模块，它可以是Paxos算法的实现或者Raft算法。

在上图中，服务器中的一致性模块(Consensus Modle)接受来自客户端的指令，并写入到自己的日志中，然后通过一致性模块和其他服务器交互，确保每一条日志都能以相同顺序写入到其他服务器的日志中，即便服务器宕机了一段时间。

一旦日志命令都被正确的复制，每一台服务器就会顺序的处理命令，并向客户端返回结果。

 

2. raft一致性算法

在raft体系中，有一个强leader，由它全权负责接收客户端的请求命令，并将命令作为日志条目复制给其他服务器，在确认安全的时候，将日志命令提交执行。

当leader故障时，会选举产生一个新的leader。在强leader的帮助下，raft将一致性问题分解为了三个子问题：

• leader选举：当已有的leader故障时必须选出一个新的leader
• 日志同步：leader接受来自客户端的命令，记录为日志，并复制给集群中的其他服务器，并强制其他节点的日志与leader保持一致
• 安全措施：通过一些措施确保系统的安全性，如确保所有状态机按照相同顺序执行相同命令的措施

 

有一个可视化raft协议的网站，更直观的理解raft协议：http://thesecretlivesofdata.com/raft/

 

2.1 一些概念

leader：负责和客户端进行交互，并且负责向其他节点同步日志的，一个集群只有一个leader

candidate：当leader宕机后，部分follower将转为candidate，并为自己拉票，获得半数以上票数的candidate成为新的leader

follower：一般情况下，除了leader，其他节点都是follower

term：term使用连续递增的编号的进行识别，每一个term都从新的选举开始。同时term也有指示逻辑时钟的作用，最新日志的term越大证明越有资格成为leader

RequestVote RPC：它由选举过程中的candidate发起，用于拉取选票

AppendEntries RPC：它由leader发起，用于复制日志或者发送心跳信号

 

2.2 leader选举

raft通过心跳机制发起leader选举。节点都是从follower状态开始的，如果收到了来自leader或candidate的RPC，那它就保持follower状态，避免争抢成为candidate

leader会发送空的AppendEntries RPC作为心跳信号来确立自己的地位，如果follower一段时间(election timeout)没有收到心跳，它就会认为leader已经挂了，发起新的一轮选举

选举发起后，一个follower会增加自己的当前term编号并转变为candidate

它会首先投自己一票，然后向其他所有节点并行发起RequestVote RPC，之后candidate状态将可能发生如下三种变化：

• 赢得选举，成为leader：如果它在一个term内收到了大多数的选票，将会在接下的剩余term时间内称为leader，然后就可以通过发送心跳确立自己的地位。每一个server在一个term内只能投一张选票，并且按照先到先得的原则投出
• 其他server成为leader：在等待投票时，可能会收到其他server发出AppendEntries RPC心跳信号，说明其他leader已经产生了。这时通过比较自己的term编号和RPC过来的term编号，如果比对方大，说明leader的term过期了，就会拒绝该RPC，并继续保持候选人身份; 如果对方编号不比自己小，则承认对方的地位,转为follower
• 选票被瓜分，选举失败：如果没有candidate获取大多数选票，则没有leader产生, candidate们等待超时后发起另一轮选举。为了防止下一次选票还被瓜分，必须采取一些额外的措施，raft采用随机election timeout的机制防止选票被持续瓜分。通过将timeout随机设为一段区间上的某个值，因此很大概率会有某个candidate率先超时然后赢得大部分选票

 

2.3 日志同步

一旦leader被选举成功，就可以对客户端提供服务了

客户端提交每一条命令都会被按顺序记录到leader的日志中，每一条命令都包含term编号和顺序索引，然后向其他节点并行发送AppendEntries RPC用以复制命令(如果命令丢失会不断重发)

当复制成功也就是大多数节点成功复制后，leader就会提交命令，即执行该命令并且将执行结果返回客户端，raft保证已经提交的命令最终也会被其他节点成功执行。

leader会保存有当前已经提交的最高日志编号。顺序性确保了相同日志索引处的命令是相同的，而且之前的命令也是相同的。当发送AppendEntries RPC时，会包含leader上一条刚处理过的命令，接收节点如果发现上一条命令不匹配，就会拒绝执行

在这个过程中可能会出现一种特殊故障。如果leader崩溃了，它所记录的日志没有完全被复制，会造成日志不一致的情况，follower相比于当前的leader可能会丢失几条日志，也可能会额外多出几条日志，这种情况可能会持续几个term。

如下图所示：

 

在上图中，框内的数字是term编号，a、b丢失了一些命令，c、d多出来了一些命令，e、f既有丢失也有增多，这些情况都有可能发生。

比如f可能发生在这样的情况下：f节点在term2时是leader，在此期间写入了几条命令，然后在提交之前崩溃了，在之后的term3中它很快重启并再次成为leader，又写入了几条日志，在提交之前又崩溃了，等他苏醒过来时新的leader来了，就形成了上图情形。

在Raft中，leader通过强制follower复制自己的日志来解决上述日志不一致的情形，那么冲突的日志将会被重写。为了让日志一致，先找到最新的一致的那条日志(如f中索引为3的日志条目)，然后把follower之后的日志全部删除，leader再把自己在那之后的日志一股脑推送给follower，这样就实现了一致。

而寻找该条日志，可以通过AppendEntries RPC，该RPC中包含着下一次要执行的命令索引，如果能和follower的当前索引对上，那就执行，否则拒绝，然后leader将会逐次递减索引，直到找到相同的那条日志。

然而这样也还是会有问题，比如某个follower在leader提交时宕机了，也就是少了几条命令，然后它又经过选举成了新的leader，这样它就会强制其他follower跟自己一样，使得其他节点上刚刚提交的命令被删除，导致客户端提交的一些命令被丢失了，下面一节内容将会解决这个问题。

Raft通过为选举过程添加一个限制条件，解决了上面提出的问题，该限制确保leader包含之前term已经提交过的所有命令。Raft通过投票过程确保只有拥有全部已提交日志的candidate能成为leader。由于candidate为了拉选票需要通过RequestVote RPC联系其他节点，而之前提交的命令至少会存在于其中某一个节点上，因此只要candidate的日志至少和其他大部分节点的一样新就可以了，follower如果收到了不如自己新的candidate的RPC，就会将其丢弃。 

还可能会出现另外一个问题，如果命令已经被复制到了大部分节点上，但是还没来的及提交就崩溃了，这样后来的leader应该完成之前term未完成的提交。

Raft通过让leader统计当前term内还未提交的命令已经被复制的数量是否半数以上，然后进行提交。

 

2.4 日志压缩

随着日志大小的增长，会占用更多的内存空间，处理起来也会耗费更多的时间，对系统的可用性造成影响，因此必须想办法压缩日志大小。

Snapshotting是最简单的压缩方法，系统的全部状态会写入一个snapshot保存起来，然后丢弃截止到snapshot时间点之前的所有日志。Raft中的snapshot内容如下图所示：

 

每一个server都有自己的snapshot，它只保存当前状态，如上图中的当前状态为x=0，y=9，而last included index和last included term代表snapshot之前最新的命令，用于AppendEntries的状态检查。

虽然每一个server都保存有自己的snapshot，但是当follower严重落后于leader时，leader需要把自己的snapshot发送给follower加快同步，此时用到了一个新的RPC：InstallSnapshot RPC。follower收到snapshot时，需要决定如何处理自己的日志，如果收到的snapshot包含有更新的信息，它将丢弃自己已有的日志，按snapshot更新自己的状态，如果snapshot包含的信息更少，那么它会丢弃snapshot中的内容，但是自己之后的内容会保存下来。

 

参考：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/91288179