Raft算法原理剖析

Posted 2020-12-14 baichunyu

一、复制状态机(replicated state machine)

　　Raft协议可以使得一个集群的服务器组成复制状态机，在详细了解Raft算法之前，我们先来了解一下什么是复制状态机。一个分布式的复制状态机系统由多个复制单元组成，每个复制单元均是一个状态机，它的状态保存在一组状态变量中，状态机的变量只能通过外部命令来改变。简单理解的话，可以想象成是一组服务器，每个服务器是一个状态机，服务器的运行状态只能通过一行行的命令来改变。每一个状态机存储一个包含一系列指令的日志，严格按照顺序逐条执行日志中的指令，如果所有的状态机都能按照相同的日志执行指令，那么它们最终将达到相同的状态。因此，在复制状态机模型下，只要保证了操作日志的一致性，我们就能保证该分布式系统状态的一致性。

 

　　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。

　　为了让一致性协议变得简单可理解，Raft协议主要使用了两种策略。一是将复杂问题进行分解，在Raft协议中，一致性问题被分解为：leader election、log replication、safety三个简单问题；二是减少状态空间中的状态数目。下面我们详细看一下Raft协议是怎样设计的。

二、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赋值给其他服务器，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：

　　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。

2.1、基本概念

　　一个Raft集群拥有多个服务器，典型值是5，这样可以容忍两台服务器出现故障。服务器可能会处于如下三种角色：leader、candidate、follower，正常运行的情况下，会有一个leader，其他全为follower，follower只会响应leader和candidate的请求，而客户端的请求则全部由leader处理，即使有客户端请求了一个follower也会将请求重定向到leader。candidate代表候选人，出现在选举leader阶段，选举成功后candidate将会成为新的leader。可能出现的状态转换关系如下图：

 

 

 　　从状态转换关系图中可以看出，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。可见，time out信号是促使角色转换得关键因素，类似于操作系统中得中断信号。

　　在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，如下图所示：

 

 

 　　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：

　　①RequestVote RPC：它由选举过程中的candidate发起，用于拉取选票

　　②AppendEntries RPC：它由leader发起，用于复制日志或者发送心跳信号。

　　它们的定义如下图所示：

 

 

 2.2、leader选举过程

　　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:

　　①赢得选举,称为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称为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.

2.3、日志复制过程

　　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，然后再提交之前崩溃了，在之后的term3种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。RPC的定义如下：

 

 　　到此为止，Raft算法的主要内容我们就介绍完了，希望此文可以帮助大家理解Raft算法！