如何理解分布式一致性Raft協(xié)議

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什么是分布式一致性

下面舉個例子：

假如我們有一個單節(jié)點的服務節(jié)點A，這個單節(jié)點的服務只是用來存儲一個字母。同時我們還有一個客戶端向這個服務發(fā)起更新數(shù)據(jù)的請求。

對于單節(jié)點的分布式一致性來說，服務響應客戶端的更新請求即可。但是當我們有多個服務節(jié)點的情況下會怎么樣呢？

Raft協(xié)議就是保證多個服務器節(jié)點數(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，一個服務器的節(jié)點可以是以下三種狀態(tài)中的任意一個：

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

    

    

   

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

    

    

   

3. Leader 狀態(tài)：領導者，處理所有客戶端交互，日志復制等，一般一次只有一個Leader. 我們用實心圓+實線邊框表示。

    

    

   

Leader選舉

所有的節(jié)點都是從Follower狀態(tài)開始的。

如果Follower在一定的時間里面沒有收到選舉請求或者Leader節(jié)點的回復，F(xiàn)ollower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，收到選舉請求的其他節(jié)點會反饋回Candidate，當Candidate收到的所有響應數(shù)目大于n/2 時，Candidate會認為絕大多數(shù)節(jié)點已經(jīng)選我作為Leader了，這時候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節(jié)點之中。服務節(jié)點會不斷的讀取日志記錄，并將日志記錄更新到服務節(jié)點的數(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.

為了實現(xiàn)所有服務節(jié)點的一致性更新，步驟如下：

1. client 發(fā)送數(shù)據(jù)更改請求到Leader

    

    

   

2. Leader復制日志記錄到Follower節(jié)點

    

    

   

3. Leader等待大多數(shù)節(jié)點完成復制日志記錄。

4. Leader節(jié)點commit 當前日志記錄，并更新Leader節(jié)點的數(shù)據(jù)。

    

    

   

   image.png

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

6. Follower節(jié)點commit該日志記錄。

    

    

   

7. 整個分布式系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)一致性。

term選舉周期

在Raft 協(xié)議中，有一個term的概念。term是一個選舉周期，一個term周期只會產(chǎn)生一個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)更新的順利進行，規(guī)定了兩種類型的timeout:
選舉timeout和心跳timeout。

選舉和選舉timeout

1. 每個term開始時，會重置選舉timeout。在一個term中，F(xiàn)ollower會等待timeout的時間，如果超出這個時間還沒有得到其他節(jié)點的選舉請求，F(xiàn)ollower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之間的一個隨機數(shù)，之所以隨機產(chǎn)生timeout，是為了避免同時產(chǎn)生多個Candidate的情況。

   當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。

    

    

   

    

    

   

2. 接收節(jié)點首先會比較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)點在這個term中還沒有做任何選舉，則會返回選舉響應消息給Candidate節(jié)點。

    

    

   

3. Candidate 節(jié)點收到大部分節(jié)點的選舉響應之后，會變成Leader 節(jié)點。

    

    

   

4. 一個選舉周期完成，接下來Leader 發(fā)送更新日志給Follower節(jié)點，進入日志更新階段。

選舉分裂

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

節(jié)點B，C成為Candidate節(jié)點并行向節(jié)點A，D發(fā)送選舉請求。

節(jié)點A，D分別響應節(jié)點B，C的請求，這時候兩個Candidate節(jié)點由于得到的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，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。

日志復制和心跳timeout

當系統(tǒng)進入到日志復制階段，Leader節(jié)點會以心跳timeout的節(jié)奏向Follower節(jié)點發(fā)送日志記錄，并且需要確保所有的節(jié)點都能夠接受到完整的日志記錄。

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

    

    

   

2. Leader 收到大部分節(jié)點的ack 響應之后，commit 該日志記錄。

    

    

   

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

    

    

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