理解分布式一致性:Raft協(xié)議

• 什么是分布式一致性
• Leader選舉
• 日志復(fù)制流程
• term選舉周期
• timeout
• 選舉和選舉timeout
• 選舉分裂
• 日志復(fù)制和心跳timeout

在分布式系統(tǒng)中，分布式一致性是一個(gè)非常重要的概念，它是指分布式系統(tǒng)的各個(gè)服務(wù)器都保持一個(gè)統(tǒng)一的狀態(tài)（數(shù)據(jù)）。但是在分布式系統(tǒng)中，通常由于網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)狀態(tài)等原因會導(dǎo)致某些服務(wù)不可用或者不可靠。這就需要一種分布式一致性的協(xié)議來保證系統(tǒng)在某些服務(wù)失敗的情況下仍然整體可用。

Raft協(xié)議是受到Paxos的影響而產(chǎn)生的，相對于Paxos而言，Raft協(xié)議更加簡單易懂。我會在后面的博客里面專門詳細(xì)介紹Paxos協(xié)議的具體內(nèi)容。這里我們重點(diǎn)討論Raft協(xié)議。

什么是分布式一致性

下面舉個(gè)例子：

假如我們有一個(gè)單節(jié)點(diǎn)的服務(wù)節(jié)點(diǎn)A，這個(gè)單節(jié)點(diǎn)的服務(wù)只是用來存儲一個(gè)字母。同時(shí)我們還有一個(gè)客戶端向這個(gè)服務(wù)發(fā)起更新數(shù)據(jù)的請求。

對于單節(jié)點(diǎn)的分布式一致性來說，服務(wù)響應(yīng)客戶端的更新請求即可。但是當(dāng)我們有多個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)的情況下會怎么樣呢？

Raft協(xié)議就是保證多個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)一致性的協(xié)議。

接下來我們看看Raft是怎么工作的。

Raft協(xié)議中，一個(gè)服務(wù)器的節(jié)點(diǎn)可以是以下三種狀態(tài)中的任意一個(gè)：

Follower 狀態(tài)：跟隨者，被動接收數(shù)據(jù)。我們用實(shí)心圓表示。

Candidate 狀態(tài)：候選人，可以被選做Leader。我們用實(shí)心圓+虛線邊框表示。

Leader 狀態(tài)：領(lǐng)導(dǎo)者，處理所有客戶端交互，日志復(fù)制等，一般一次只有一個(gè)Leader. 我們用實(shí)心圓+實(shí)線邊框表示。

Leader選舉

所有的節(jié)點(diǎn)都是從Follower狀態(tài)開始的。

如果Follower在一定的時(shí)間里面沒有收到選舉請求或者Leader節(jié)點(diǎn)的回復(fù)，Follower則會轉(zhuǎn)變?yōu)镃andidate。

Candidate會發(fā)送選舉請求給所有的其他節(jié)點(diǎn)，收到選舉請求的其他節(jié)點(diǎn)會反饋回Candidate，當(dāng)Candidate收到的所有響應(yīng)數(shù)目大于n/2 時(shí)，Candidate會認(rèn)為絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)選我作為Leader了，這時(shí)候Candidate就會轉(zhuǎn)變?yōu)長eader。接下來所有的數(shù)據(jù)變化都會經(jīng)由Leader發(fā)起。

日志復(fù)制流程

在Raft系統(tǒng)中，所有的數(shù)據(jù)變化都是以日志記錄的形式添加到服務(wù)節(jié)點(diǎn)之中。服務(wù)節(jié)點(diǎn)會不斷的讀取日志記錄，并將日志記錄更新到服務(wù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)中。日志記錄最開始的狀態(tài)是uncommited, 更新之后狀態(tài)則變?yōu)閏ommited.

為了實(shí)現(xiàn)所有服務(wù)節(jié)點(diǎn)的一致性更新，步驟如下：

client 發(fā)送數(shù)據(jù)更改請求到Leader

Leader復(fù)制日志記錄到Follower節(jié)點(diǎn)

Leader等待大多數(shù)節(jié)點(diǎn)完成復(fù)制日志記錄。

Leader節(jié)點(diǎn)commit 當(dāng)前日志記錄，并更新Leader節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

Leader通知Follower節(jié)點(diǎn)該日志記錄已經(jīng)commit.

Follower節(jié)點(diǎn)commit該日志記錄。

整個(gè)分布式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)一致性。

term選舉周期

在Raft 協(xié)議中，有一個(gè)term的概念。term是一個(gè)選舉周期，一個(gè)term周期只會產(chǎn)生一個(gè)Leader，term連續(xù)遞增。

timeout

在Raft協(xié)議中，為了保證選舉和數(shù)據(jù)更新的順利進(jìn)行，規(guī)定了兩種類型的timeout:
選舉timeout和心跳timeout。

選舉和選舉timeout

每個(gè)term開始時(shí)，會重置選舉timeout。在一個(gè)term中，Follower會等待timeout的時(shí)間，如果超出這個(gè)時(shí)間還沒有得到其他節(jié)點(diǎn)的選舉請求，Follower會主動轉(zhuǎn)變?yōu)镃andidate，并且term+1，意味著開啟了新的選舉周期。

選舉timeout是150ms-300ms之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，之所以隨機(jī)產(chǎn)生timeout，是為了避免同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)Candidate的情況。

當(dāng)Follower轉(zhuǎn)變?yōu)镃andidate之后，term加1， 然后開始新一輪的選舉。Candidate首先會將自己的Vote Count 加1，然后發(fā)送請求選舉的消息給其他節(jié)點(diǎn)。

接收節(jié)點(diǎn)首先會比較term的大小，如果自己的term小于Candidate的term，則更新自己的term和Candidate的term保持一致，并重置timeout。如果接收節(jié)點(diǎn)在這個(gè)term中還沒有做任何選舉，則會返回選舉響應(yīng)消息給Candidate節(jié)點(diǎn)。

Candidate 節(jié)點(diǎn)收到大部分節(jié)點(diǎn)的選舉響應(yīng)之后，會變成Leader 節(jié)點(diǎn)。

一個(gè)選舉周期完成，接下來Leader 發(fā)送更新日志給Follower節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入日志更新階段。

選舉分裂

值得注意的是Candidate只有得到超出n/2個(gè)節(jié)點(diǎn)的選舉響應(yīng)才能變?yōu)長eader節(jié)點(diǎn)。如果兩個(gè)Follower節(jié)點(diǎn)同時(shí)變成Candidate節(jié)點(diǎn)，則會產(chǎn)生選舉分裂的問題。
現(xiàn)在假設(shè)我們總共有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)變成Candidate節(jié)點(diǎn)，并向其余兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送選舉請求：

節(jié)點(diǎn)B，C成為Candidate節(jié)點(diǎn)并行向節(jié)點(diǎn)A，D發(fā)送選舉請求。
節(jié)點(diǎn)A，D分別響應(yīng)節(jié)點(diǎn)B，C的請求，這時(shí)候兩個(gè)Candidate節(jié)點(diǎn)由于得到的Vote都是2，不滿足大于n/2的條件，則其不能轉(zhuǎn)變?yōu)長eader節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)等待timeout至新的term開始并開啟新一輪的選舉，只到符合條件為止。

日志復(fù)制和心跳timeout

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入到日志復(fù)制階段，Leader節(jié)點(diǎn)會以心跳timeout的節(jié)奏向Follower節(jié)點(diǎn)發(fā)送日志記錄，并且需要確保所有的節(jié)點(diǎn)都能夠接受到完整的日志記錄。

客戶發(fā)送set 5 給Leader， 在下一個(gè)心跳timeout，Leader將set 5的日志記錄發(fā)給Follower。

Leader 收到大部分節(jié)點(diǎn)的ack 響應(yīng)之后，commit 該日志記錄。

Leader通知Client已經(jīng)提交該日志記錄，同時(shí)通知Follower 提交該日志記錄。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的理解分布式一致性:Raft协议的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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