Raft協(xié)議

一種簡單易懂的分布式一致性算法

分布式系統(tǒng)中，一致性是一個基本的問題，它要求系統(tǒng)中的多個節(jié)點(diǎn)能夠就某些狀態(tài)或數(shù)據(jù)達(dá)成一致。一致性算法是一種解決這個問題的方法，它通過一些規(guī)則和協(xié)議來保證系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)能夠就某些狀態(tài)或數(shù)據(jù)達(dá)成一致。Raft是一種一致性算法，它的目標(biāo)是提供一種簡單易懂的分布式一致性算法，與之前的一致性算法Paxos相比，Raft更容易理解和實(shí)現(xiàn)。

Raft的核心思想是將一個分布式系統(tǒng)抽象為一個狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)由一個有序的日志來維護(hù)，日志中的每個條目都代表一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換。Raft的目標(biāo)是保證系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)的日志能夠保持一致，也就是說，日志中的每個條目都能夠被復(fù)制到所有的節(jié)點(diǎn)上，并且按照相同的順序執(zhí)行。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，Raft需要解決以下三個主要的問題：

• 選舉：如何在系統(tǒng)中選出一個領(lǐng)導(dǎo)者，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)日志的復(fù)制和更新？
• 日志復(fù)制：如何讓領(lǐng)導(dǎo)者將日志中的新條目復(fù)制到其他節(jié)點(diǎn)上，并保證日志的一致性？
• 安全性：如何保證系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)不會被損壞或丟失，即使在節(jié)點(diǎn)故障或網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的情況下？

下面我們來分別介紹Raft是如何解決這三個問題的。

選舉

Raft中的每個節(jié)點(diǎn)都有三種可能的角色：領(lǐng)導(dǎo)者（Leader），候選者（Candidate）和跟隨者（Follower）。在正常情況下，系統(tǒng)中只有一個領(lǐng)導(dǎo)者，負(fù)責(zé)接收客戶端的請求，并將日志中的新條目復(fù)制到其他節(jié)點(diǎn)上。其他節(jié)點(diǎn)都是跟隨者，負(fù)責(zé)接收領(lǐng)導(dǎo)者的指令，并執(zhí)行日志中的條目。如果領(lǐng)導(dǎo)者出現(xiàn)故障或失去聯(lián)系，系統(tǒng)中就沒有領(lǐng)導(dǎo)者了，這時候就需要進(jìn)行選舉，選出一個新的領(lǐng)導(dǎo)者。

Raft中的選舉是基于一個叫做任期（Term）的概念的，任期是一個遞增的整數(shù)，用來標(biāo)識系統(tǒng)中的不同階段。每個節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個當(dāng)前的任期，初始為0。當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)發(fā)起選舉時，它會將自己的任期加一，并將自己的角色從跟隨者變?yōu)楹蜻x者。然后，它會向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送投票請求，請求其他節(jié)點(diǎn)投票給自己。如果一個節(jié)點(diǎn)收到了投票請求，它會根據(jù)以下規(guī)則來決定是否投票給候選者：

• 如果候選者的任期小于自己的任期，拒絕投票，并告訴候選者自己的任期。
• 如果候選者的任期大于自己的任期，更新自己的任期，并將自己的角色變?yōu)楦S者。
• 如果候選者的任期等于自己的任期，檢查自己是否已經(jīng)投票給其他候選者，以及候選者的日志是否比自己的日志更新。如果沒有投票給其他候選者，且候選者的日志比自己的日志更新，投票給候選者，并記錄自己的投票。否則，拒絕投票。

如果一個候選者收到了超過半數(shù)節(jié)點(diǎn)的投票，它就成為了新的領(lǐng)導(dǎo)者，并向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送領(lǐng)導(dǎo)者通知，通知其他節(jié)點(diǎn)自己是新的領(lǐng)導(dǎo)者。如果一個候選者收到了其他節(jié)點(diǎn)的領(lǐng)導(dǎo)者通知，它就放棄選舉，并將自己的角色變?yōu)楦S者。如果一個候選者在一定時間內(nèi)沒有收到足夠的投票，它就會重新發(fā)起選舉，將自己的任期加一，并重復(fù)上述過程。

為了避免選舉的沖突和延遲，Raft使用了一個叫做隨機(jī)超時的機(jī)制，每個節(jié)點(diǎn)都有一個隨機(jī)的超時時間，如果在這個時間內(nèi)沒有收到領(lǐng)導(dǎo)者的指令或者投票請求，它就會發(fā)起選舉。這樣，可以降低多個節(jié)點(diǎn)同時發(fā)起選舉的概率，提高選舉的效率。

日志復(fù)制

當(dāng)一個領(lǐng)導(dǎo)者接收到一個客戶端的請求時，它會將請求中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換作為一個新的日志條目添加到自己的日志中，并將這個條目復(fù)制到其他節(jié)點(diǎn)上。為了保證日志的一致性，Raft使用了一個叫做日志匹配的原則，即如果多個日志中有相同的索引和任期的條目，那么這些日志在這個索引之前的所有條目都是一致的?；谶@個原則，Raft使用了以下規(guī)則來復(fù)制和更新日志：

領(lǐng)導(dǎo)者會定期向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送附加日志請求，請求其他節(jié)點(diǎn)將自己的日志與領(lǐng)導(dǎo)者的日志保持一致。附加日志請求中包含了領(lǐng)導(dǎo)者的任期，領(lǐng)導(dǎo)者的日志長度，以及領(lǐng)導(dǎo)者的日志中的最后一個條目的索引和任期。

如果一個節(jié)點(diǎn)收到了附加日志請求，它會根據(jù)以下規(guī)則來決定是否接受領(lǐng)導(dǎo)者的日志：

如果領(lǐng)導(dǎo)者的任期小于自己的任期，拒絕附加日志請求，并告訴領(lǐng)導(dǎo)者自己的任期。

如果領(lǐng)導(dǎo)者的任期大于自己的任期，更新自己的任期，并將自己的角色變?yōu)楦S者。

如果領(lǐng)導(dǎo)者的任期等于自己的任期，檢查自己的日志中是否有與領(lǐng)導(dǎo)者的日志中的最后一個條目相同的索引和任期的條目。如果有，接受附加日志請求，并將自己的日志與領(lǐng)導(dǎo)者的日志保持一致。如果沒有，拒絕附加日志請求，并告訴領(lǐng)導(dǎo)者自己的日志長度。

如果一個領(lǐng)導(dǎo)者收到了其他節(jié)點(diǎn)的附加日志回復(fù)，它會根據(jù)以下規(guī)則來更新自己的日志：

• 如果其他節(jié)點(diǎn)的任期大于自己的任期，更新自己的任期，并將自己的角色變?yōu)楦S者。
• 如果其他節(jié)點(diǎn)的任期等于自己的任期，檢查其他節(jié)點(diǎn)是否接受了自己的日志。如果接受了，更新自己的日志，并記錄其他節(jié)點(diǎn)的日志長度。如果拒絕了，將自己的日志長度減一，并重新發(fā)送附加日志請求。

當(dāng)一個領(lǐng)導(dǎo)者將一個日志條目復(fù)制到超過半數(shù)節(jié)點(diǎn)上時，它就認(rèn)為這個條目是已提交的，也就是說，這個條目已經(jīng)被系統(tǒng)中的大多數(shù)節(jié)點(diǎn)接受了。領(lǐng)導(dǎo)者會將這個條目應(yīng)用到自己的狀態(tài)機(jī)上，并將這個條目的結(jié)果返回給客戶端。同時，領(lǐng)導(dǎo)者會在下一次的附加日志請求中告訴其他節(jié)點(diǎn)這個條目已經(jīng)被提交了，其他節(jié)點(diǎn)也會將這個條目應(yīng)用到自己的狀態(tài)機(jī)上。這樣，系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)機(jī)就能夠保持一致。

安全性

Raft的安全性是指系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)不會被損壞或丟失，即使在節(jié)點(diǎn)故障或網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的情況下。Raft的安全性是基于以下幾個方面的：

任期：任期是一個遞增的整數(shù)，用來標(biāo)識系統(tǒng)中的不同階段。任期可以用來區(qū)分過期的信息和最新的信息，以及解決選舉的沖突。每個節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個當(dāng)前的任期，初始為0。當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)發(fā)起選舉時，它會將自己的任期加一，并將自己的角色從跟隨者變?yōu)楹蜻x者。當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)收到其他節(jié)點(diǎn)的信息時，它會根據(jù)信息中的任期來更新自己的任期和角色。如果信息中的任期小于自己的任期，它會拒絕信息，并告訴發(fā)送者自己的任期。如果信息中的任期大于自己的任期，它會更新自己的任期，并將自己的角色變?yōu)楦S者。如果信息中的任期等于自己的任期，它會根據(jù)信息的內(nèi)容和自己的狀態(tài)來決定是否接受信息。

日志匹配：日志匹配是指如果多個日志中有相同的索引和任期的條目，那么這些日志在這個索引之前的所有條目都是一致的。日志匹配可以用來保證日志的一致性，以及解決日志的沖突。每個日志條目都包含了一個索引和一個任期，索引是一個遞增的整數(shù)，表示條目在日志中的位置，任期是一個整數(shù)，表示條目被添加到日志中的時期。當(dāng)一個領(lǐng)導(dǎo)者將一個日志條目復(fù)制到其他節(jié)點(diǎn)上時，它會將這個條目的索引和任期一起發(fā)送。當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)收到一個日志條目時，它會根據(jù)這個條目的索引和任期來更新自己的日志。如果自己的日志中已經(jīng)有了相同的索引和任期的條目，它會接受這個條目，并將自己的日志與發(fā)送者的日志保持一致。如果自己的日志中沒有相同的索引和任期的條目，它會拒絕這個條目，并告訴發(fā)送者自己的日志長度。

領(lǐng)導(dǎo)者完整性：領(lǐng)導(dǎo)者完整性是指一個領(lǐng)導(dǎo)者必須包含所有已提交的日志條目，以及所有更早任期的日志條目。領(lǐng)導(dǎo)者完整性可以用來保證系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)不會被覆蓋或丟失。為了實(shí)現(xiàn)領(lǐng)導(dǎo)者完整性，Raft使用了以下規(guī)則：

• 一個候選者在發(fā)起選舉時，必須包含自己的日志中的最后一個條目的索引和任期。一個節(jié)點(diǎn)在投票給候選者時，必須檢查候選者的日志是否比自己的日志更新。這樣，可以保證選出的領(lǐng)導(dǎo)者的日志是最新的。
• 一個領(lǐng)導(dǎo)者在復(fù)制日志時，必須包含自己的日志中的最后一個條目的索引和任期。一個節(jié)點(diǎn)在接受日志時，必須檢查領(lǐng)導(dǎo)者的日志是否與自己的日志匹配。這樣，可以保證領(lǐng)導(dǎo)者的日志是一致的。
• 一個領(lǐng)導(dǎo)者在提交日志時，必須保證自己的任期與日志條目的任期相同。這樣，可以保證領(lǐng)導(dǎo)者不會提交過期的日志條目。

總結(jié)

Raft是一種簡單易懂的分布式一致性算法，它將一個分布式系統(tǒng)抽象為一個狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)由一個有序的日志來維護(hù)，日志中的每個條目都代表一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換。Raft的目標(biāo)是保證系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)的日志能夠保持一致，也就是說，日志中的每個條目都能夠被復(fù)制到所有的節(jié)點(diǎn)上，并且按照相同的順序執(zhí)行。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，Raft需要解決選舉，日志復(fù)制，安全性等三個主要的問題。Raft通過使用任期，日志匹配，領(lǐng)導(dǎo)者完整性等概念和規(guī)則來解決這些問題，從而提供了一種簡單易懂的分布式一致性算法。

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