区块链解读29-RAFT算法

Posted 2021-04-27 磨链mochain社区

解读区块链，RAFT算法

之前简单介绍过PAXOS算法，这个算法我只是简单的大致描叙了原理和两步执行过程们其实要真正弄懂这个算法还是很困难的，之前PAXOS算法一直是分布式一致性算法中被谈论最多的，但是也因为其难以理解和应用模型构建困难，现在针对PAXOS算法演变而来的RAFT算法被更多人了解和应用。这里简单介绍下RAFT算法。

首先还是再啰嗦下分布式系统，分布式系统中不可避免的一致性问题，理想化100%的一致性只存在于理想化状态，用一种容错机制，超过半数的大多数节点达成了一致就认为系统可行。这里根据PAXOS算法中，分布式环境中N个节点，超过N/2+1就达成一致就认为可行。

RAFT算法引用原文论文翻译的第一句话：RAFT是一种为了管理复制日志的一致性算法(https://github.com/maemual/raft-zh_cn/blob/master/raft-zh_cn.md)。

同样RAFT算法中也先引入几个角色和概念：

Leader：领导者

Follower：群众

Candidate：竞选者

Term：任期

构建一个现实的环境场景来帮助理解，在一个封闭网络中，有多个分布式节点，节点间开始权利和义务一样，互相平等，然后通过一种投票的模式：

首先所有节点都是群众，开始投票，所有群众可以参与投票也可以参与竞选，参与竞选的群众就变成了竞选者，然后选择领导者，对领导者有一个任期的概念，在选举结束后，领导者开始任期，之前候选人变成群众，直到第二期选举开始。

 

从角色角度来看：群众-竞选者-领导者在选举过程中不停变化。

 

 

每个节点的角色随着投票选举过程一直在群众-竞选者-领导者-群众之间转换。

再细分下整个过程：

领导者的选举过程

所有网络中的节点，一开始都是群众，投票开始节点A、B、C等节点都转变为竞选者，这里会有一个问题，之前有个朋友也问过我，每个人都投自己那么这个领导者怎么出来，这个环节其实很有意思，每个人投票开始时间不同，那么都有一个超时时间的控制，一旦出现超时还没有选出领导者，那么超时部分节点就变成了群众，他就必须在随机休息一段时间、再次投票就只能去投其他的竞选者，这个问题也就解决了。这样的模式下来领导者很快就能出现。

 

 

领导者在整个系统中用来确保分布式集群的一致性，客户终端发送请求至领导者，领导者接受一个未确认信息、然后把未确认信息发送给群众节点，收集群众节点的返回信息，一旦超过半数节点返回，领导者再发送信息给客户端，确认信息，确认信息后，领导者再发送确认信息给群众节点，确保信息一致。

 

选出领导者后，那么领导者一直和网络中其他节点进行心跳通信，一旦一段时间内领导者没有发出通信，那么就认为领导者出现不确定故障（主机宕机、网络故障等），那么就再发起一轮新的选举。

再假设几个场景：

1.领导者在接收客户端消息的时候出现故障。这个时候领导者和客户端就失去联系，客户端认为超时，那么领导者上没有数据，同样群众节点也就不会有数据，这个时候确定领导者出现问题就执行再次选举操作。

2.客户端数据到达领导者，领导者发送到至群众节点，群众节点数据一致，但是这时候领导者出现故障，那么这时候即刻进行领导者选举，客户端这时候虽然不知道数据是否递交成功，但是可以尝试重新提交，这时候RAFT通过内部去重方式保证一致性。

3.数据到达领导者，领导者部分发送成功给群众节点，领导者出现故障，那么RAFT模式要求投票选举时候只能拥有最新的数据的节点才能成为竞选者，新的领导者出现数据再次同步，保证一致性。

4.数据到达领导者，发送给群众节点，领导者已提交确认，但是群众节点未全部确认，那么这时候同样2的方法处理重新选举，去重后再保证一致性。

5.数据到达领导者，发送给群众节点，所有节点提交，但是领导者未响应客户端，这个时候其实数据已经一致，故可重复操作无影响。

6.网络脑裂出现双领导者，这种方式下会出现两个领导者分区，但是多数原则保证有一个领导者会提交不成功，所有只能等待网络恢复，更新TERM后，领导者降级后在同步数据一致性。

最后对选择过程中的时间再说明：

选举过程是有一个时间限制，就像上文说到一直自己投自己情况如何控制，选择过程中有超时时间设定，然后中间会有一个分裂投票的概念（split vote），这个时候两个竞争者都要求大家投票给自己，两个竞争者在选举时间内得到相同的票，那就再发起投票，在一段时间内只对两个竞争者发起投票，首先发起的理论上得到更多的同意，那么另外一个就称为群众。

简单对RAFT算法做了个说明，想要深入了解的可以查一下网址：https://raft.github.io/

 

 

笔者初学区块链，很多东西也是慢慢摸索，之所以写下这些基本概念一方面作为自己学习的整理，另一方面也希望更多交流学习的机会。如有兴趣可以直接给我留言或者加笔者微信。