raft协议

Posted 2021-05-15 handsomecui

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了raft协议相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、Raft一致性算法

　　Eureka：Peer To Peer，每个节点的地位都是均等的，每个节点都可以接收写入请求，每个节点接收请求之后，进行请求打包处理，异步化延迟一点时间，将数据同步给 Eureka 集群当中的其他节点。任何一台节点宕机之后，理论上应该是不影响集群运行的，都可以从其他节点获取注册表信息。

　　Etcd、Consul，Zookeeper， Nacos，其中的 CP 模式也是基于 Raft 协议来实现分布式一致性算法的。当然 Zookeeper 在 Raft 协议基础上做了一些改良，使用的 ZAB 分布式一致性协议来实现的。

基本概念

1. leader选举：当已有的leader故障时必须选出一个新的leader。

2. 日志复制：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。

3. 安全safety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。

服务器三种角色：leader、candidate、follower

1. follower只会响应leader和candidate的请求，

2. 客户端的请求则全部由leader处理，

3. 有客户端请求了一个follower也会将请求重定向到leader。

集群刚启动时，所有节点都是follower，之后在time out信号的驱使下，follower会转变成candidate去拉取选票，获得大多数选票后就会成为leader，这时候如果其他候选人发现了新的leader已经诞生，就会自动转变为follower；而如果另一个time out信号发出时，还没有选举出leader，将会重新开始一次新的选举。

　　Raft协议中，将时间分成了一些任意长度的时间片，称为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，candidate们会努力争取称为leader。一旦获胜，它就会在剩余的term时间内保持leader状态，在某些情况下(如term3)选票可能被多个candidate瓜分，形不成多数派，因此term可能直至结束都没有leader，下一个term很快就会到来重新发起选举。

　　term也起到了系统中逻辑时钟的作用，每一个server都存储了当前term编号，在server之间进行交流的时候就会带有该编号，如果一个server的编号小于另一个的，那么它会将自己的编号更新为较大的那一个；如果leader或者candidate发现自己的编号不是最新的了，就会自动转变为follower；如果接收到的请求的term编号小于自己的当前term将会拒绝执行。

server之间的交流是通过RPC进行的。只需要实现两种RPC就能构建一个基本的Raft集群：

* 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. 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。

candidate状态将可能发生如下三种变化:

　　1. 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)

　　2. 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.）

　　3. 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.）

日志复制过程

　　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。

　　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。

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

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.

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。

　　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。

二、zab对比raft

1. 上一轮次的leader的残留的数据:

　　Raft：对于之前term的过半或未过半复制的日志采取的是保守的策略，全部判定为未提交，只有当当前term的日志过半了，才会顺便将之前term的日志进行提交

　　ZooKeeper：采取激进的策略，对于所有过半还是未过半的日志都判定为提交，都将其应用到状态机中

2. 怎么阻止上一轮次的leader假死的问题

　　Raft的copycat实现为：每个follower开通一个复制数据的RPC接口，谁都可以连接并调用该接口，所以Raft需要来阻止上一轮次的leader的调用。每一轮次都会有对应的轮次号，用来进行区分，Raft的轮次号就是term，一旦旧leader对follower发送请求，follower会发现当前请求term小于自己的term，则直接忽略掉该请求，自然就解决了旧leader的干扰问题

　　ZooKeeper：一旦server进入leader选举状态则该follower会关闭与leader之间的连接，所以旧leader就无法发送复制数据的请求到新的follower了，也就无法造成干扰了

3. raft流程

1. client连接follower或者leader，如果连接的是follower则，follower会把client的请求(写请求，读请求则自身就可以直接处理)转发到leader

2. leader接收到client的请求，将该请求转换成entry，写入到自己的日志中，得到在日志中的index，会将该entry发送给所有的follower(实际上是批量的entries)

3. follower接收到leader的AppendEntries RPC请求之后，会将leader传过来的批量entries写入到文件中（通常并没有立即刷新到磁盘），然后向leader回复OK

4. leader收到过半的OK回复之后，就认为可以提交了，然后应用到leader自己的状态机中，leader更新commitIndex，应用完毕后回复客户端

5. 在下一次leader发给follower的心跳中，会将leader的commitIndex传递给follower，follower发现commitIndex更新了则也将commitIndex之前的日志都进行提交和应用到状态机中

4. zab流程

1. client连接follower或者leader，如果连接的是follower则，follower会把client的请求(写请求，读请求则自身就可以直接处理)转发到leader

2. leader接收到client的请求，将该请求转换成一个议案，写入到自己的日志中，会将该议案发送给所有的follower(这里只是单个发送)

3. follower接收到leader的议案请求之后，会将该议案写入到文件中（通常并没有立即刷新到磁盘），然后向leader回复OK

4. leader收到过半的OK回复之后，就认为可以提交了，leader会向所有的follower发送一个提交上述议案的请求，同时leader自己也会提交该议案，应用到自己的状态机中，完毕后回复客户端

5. follower在接收到leader传过来的提交议案请求之后，对该议案进行提交，应用到状态机中

5. 连续性日志：

　　如果是连续性日志，则leader在分发给各个follower的时候，只需要记录每个follower目前已经同步的index即可，如Raft

　　如果是非连续性日志，如ZooKeeper，则leader需要为每个follower单独保存一个队列，用于存放所有的改动，如ZooKeeper，一旦是队列就引入了一个问题即顺序性问题，即follower在和leader进行同步的时候，需要阻塞leader处理写请求，先将follower和leader之间的差异数据先放入队列，完成之后，解除阻塞，允许leader处理写请求，即允许往该队列中放入新的写请求，从而来保证顺序性

正常情况下：

　　Raft对请求先转换成entry，复制时，也是按照leader中log的顺序复制给follower的，对entry的提交是按index进行顺序提交的，是可以保证顺序的。

　　ZooKeeper在提交议案的时候也是按顺序写入各个follower对应在leader中的队列，然后follower必然是按照顺序来接收到议案的，对于议案的过半提交也都是一个个来进行的。

异常情况：follower挂掉又重启的过程：

　　Raft：重启之后，由于leader的AppendEntries RPC调用，识别到leader，leader仍然会按照leader的log进行顺序复制，也不用关心在复制期间新的添加的日志，在下一次同步中自动会同步。

　　ZooKeeper：重启之后，需要和当前leader数据之间进行差异的确定，同时期间又有新的请求到来，所以需要暂时获取leader数据的读锁，禁止此期间的数据更改，先将差异的数据先放入队列，差异确定完毕之后，还需要将leader中已提交的议案和未提交的议案也全部放入队列，即ZooKeeper的2个集合数据，读写锁。