Paxos自1990年提出以后,相当长时间内几乎已成为分布式一致性算法的代名词。但因其难以理解和实现,目前知名实现仅有Chubby、Zookeeper、libpaxos几种,其中Zookeeper使用的ZAB对Paxos做了大量改进。为此,2013年斯坦福的Diego Ongaro、John Ousterhout,提出了新的更易理解和实现的一致性算法,即Raft。
 
  Raft和Paxos均只要保证n/2+1节点正常,即可服务。相比Paxos,其优势即为易于理解和实现。Raf将算法分解为:选择领导者、日志复制、安全性等几个子问题。它的流程即为:开始时在集群中选举出Leader负责日志复制的管理,Leader接收来自客户端的事务请求(日志),并将它们复制给集群中的其他节点,然后通知集群中的其他节点提交日志,Leader负责保证其他节点与它的日志同步。当Leader宕机时,集群其他节点重新发起选举,选出的新的Leader。
 

角色

 
  Raft涉及三种角色:
  Leader:即领导者,负责处理来自客户端的请求,管理日志复制、以及与Follower保持心跳以维持其领导者地位。
  Follower:即追随者,负责响应来自Leader的日志复制请求,响应来自Candidate的选举请求。初始时所有节点均为Follower。
  Candidate:即候选者,负责发起选举投票,Raft启动后或Leader宕机后,一个节点从Follower转为Candidate,并发起选举,选举成功后,由Candidate转为Leader。
 
  如下为Raft角色状态转换图:
 
分布式一致性算法Raft
 

Term(任期)

 
  在Raft中使用了Term(任期)的概念,一轮选举即为一个Term(任期),一个Term中仅能产生一个Leader。Term使用连续递增的编号表示,初始时所有Follower的Term均为1。其中某个Follower定时器到期触发选举,其状态转换为Candidate,此时Term加1变为2,然后开始选举,有如下几种可能:
 
  1、如果当前Term为2的任期内没有选举出Leader或出现异常,Term递增为3,并开始新一轮选举。
  2、此轮Term为2的任期内选举出Leader后,如果Leader宕机,此时其他Follower转为Candidate,Term递增,并发起新的选举。
  3、如果Leader或Candidate发现自己的Term比其他Follower小时,Leader或Candidate转为Follower,Term递增。
  4、如果Follower发现自己的Term比其他Follower小时,更新Term与其他Follower保持一致。
 
  每次Term递增都将发生新一轮选举,在Raft正常运行过程中,所有节点Term均一致。如果节点不发生故障,一个Term(任期)会一直保持下去,当某节点收到的请求中Term比当前Term小时拒绝请求。
 

选举

 
  初始时所有节点均为Follower,且定时器时间不同。某个节点定时器触发选举后,Term递增,该节点由Follower转换为Candidate,向其他节点发起投票请求(RequestVote RPC)。有如下几种可能:
 
  1、收到过半数节点(n/2+1)投票,由Candidate转换为Leader,向其他节点发送心跳以维持领导者地位。
  2、如果收到其他节点发送的AppendEntries RPC请求,且该节点Term大于当前节点Term,即发现了新的有效领导者,转换为Follower,否则保持Candidate拒绝该请求。
  3、选举超时,Term递增,重新发起选举。
 
  每轮Term期间,每个节点均只能投票1次,如果多个Candidate均没有接收到过半数投票,则每个Candidate Term递增,重启定时器并重新发起选举。因定时器时间随机,因此不会多次出现多个Candidate同时发起投票的问题。
 

日志复制

 
  保证节点的一致性,就要保证所有节点都按顺序执行相同的操作序列,日志复制目的即为此。
 
  1、Leader接收到客户端事务请求(即日志),先将日志追加到本地Log中,并通过AppendEntries RPC复制给其他Follower。
  2、Follower接收到日志后,追加到本地Log中,并向Leader发送ACK消息。
  3、Leader收到过半数Follower的ACK消息后,将日志置为已提交并正式提交日志,通知客户端,并发送AppendEntries RPC请求通知Follower提交日志。
 

安全性

 
  1、每个Term期间只能选举一个Leader。
  2、Leader不会删除或覆盖已有日志条目,只会追加。
  3、如果相同索引位置的日志条目Term任期号相同,那么认为从头到这个索引位置均相同。
  4、如果某个日志条目在某任期内提交,那么这个日志条目必然出现在更大的Term任期号的所有领导中。
  5、如果Leader在某索引位置的日志条目已提交,那么其他节点相同索引位置不会提交不同的日志条目。
 

RequestVote RPC和AppendEntries RPC

 
  Raft中节点通信使用两种RPC,即RequestVote RPC和AppendEntries RPC:
  RequestVote RPC:即请求投票,由Candidate在选举期间发起。
  AppendEntries RPC:即附加条目RPC,由Leader发起,用于日志复制和心跳机制。
 

参考文档

 
  寻找一种易于理解的一致性算法(扩展版)
  一致性算法Raft详解
  Raft 为什么是更易理解的分布式一致性算法
 

后记

 
  本文总结的Raft,及之前文章中的Paxos、2PC、3PC均为基于非拜占庭容错的分布式一致性算法,即除考虑消息的丢失、超时、乱序,但不考虑消息被篡改。从下个文章起,将总结基于拜占庭容错的分布式一致性算法,该算法在比特币、以太坊、及其他区块链产品中广泛使用。