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共识是保证一致的分布式系统的基础。为了在不可避免的故障中保证系统的可用性，系统需要一种确保集群中每个节点保持一致的方式，以便在发生故障时无缝地将工作转移到其他节点。Paxos、Raft和View Stamped Replication（VSR）等共识协议通过提供领导者选举、原子配置更改、同步等过程的逻辑，为分布式系统提供了弹性。
正如所有设计元素一样，分布式共识的不同方法提供了不同的权衡。Paxos是最古老的共识协议，并被许多系统使用，如Google Cloud Spanner、Apache Cassandra、Amazon DynamoDB和Neo4j。Paxos通过三阶段的无领导者、多数异步提交协议实现共识。虽然Paxos在推动正确性方面很有效，但众所周知，它难以理解、实现和推理。这部分是因为它隐藏了许多达成共识的挑战（例如领导者选举、重配置），使得将其拆分成子问题变得困难。
可靠、复制、冗余和容错的Raft（reliable, replicated, redundant, and fault-tolerant）可以被看作是Paxos的一种演变，注重可理解性。Raft可以达到与Paxos相同的正确性，但在实际世界中更容易理解和实现，因此通常可以提供更高的可靠性保证。例如，Raft使用稳定的领导形式，简化了复制日志管理，并且它的领导者选举过程更高效。
同时，由于Raft将共识问题的不同逻辑组件进行了拆分，例如通过在复制之前将领导者选举作为一个独立的步骤，它是一个灵活的协议，适用于复杂的现代分布式系统。这些系统需要在保持正确性和性能的同时，扩展到PB级的吞吐量，并且对于新的工程师来说更容易理解和开发。
因此，Raft协议已经迅速被广泛应用于当今的分布式和云原生系统，例如MongoDB、CockroachDB、TiDB和Redpanda，以实现更高的性能和事务的效率。
Redpanda是如何实现Raft的
当Redpanda创始人Alex Gallego确定世界需要一个新的流式数据平台来支持那些可能导致Apache Kafka故障的GBps+工作负载时，他决定从头开始重写Kafka。
Redpanda成为现在的这款产品的需求包括：1）简单且轻量化，以降低在大规模可靠地运行Kafka集群时的复杂性和低效性；2）充分利用现代硬件的性能，以提供大型工作负载的低延迟；3）即使在非常大的吞吐量情况下，也要保证数据的安全性。
实现Raft为这三个需求提供了坚实的基础：1）简单性：每个Redpanda分区都是一个Raft组，因此平台中的所有内容都是基于Raft进行推理，包括元数据管理和分区复制。与Kafka的复杂性形成对比，Kafka的数据复制由ISR（in-sync replicas）处理，元数据管理由ZooKeeper（或KRaft）处理，因此存在两个必须相互推理的系统。2）性能：Redpanda的Raft实现可以容忍少数副本的干扰，只要领导者和大多数副本是稳定的。在一部分副本延迟响应时，领导者无需等待它们的响应就可以继续进展，从而减少对延迟的影响。因此，Redpanda具有更好的容错性，并能在大规模上提供可预测的性能。3）可靠性：当Redpanda接收事件时，它们被写入一个主题分区，并追加到磁盘上的日志文件中。然后，每个主题分区形成一个Raft共识组，由一个领导者和若干个追随者组成，这取决于主题的复制因子。在给定2ƒ+1个节点的情况下，Redpanda的Raft组可以容忍ƒ个故障。例如，在一个拥有五个节点和复制因子为五的主题的集群中，可以发生两个节点的故障而主题仍保持正常运行。Redpanda利用Raft联合共识协议来实现一致性，即使在重新配置期间也是如此。
此外，Redpanda还通过一些关键方式扩展了核心的Raft功能，以实现现代云原生解决方案所需的可扩展性、可靠性和速度。它对Raft进行的创新包括对选举过程、心跳生成以及关键的支持Apache Kafka ACKS的改变。这些创新确保了在所有场景下实现最佳性能，这正是Redpanda能够更快地比Kafka提供数据安全性的原因。实际上，Jepsen测试已经验证了Redpanda是一个安全的系统，没有已知的一致性问题，并且具有可靠的基于Raft的共识层。
KRaft呢？
尽管Redpanda采取了一种原生的Raft方法，但传统的流式数据平台在采用现代共识方法方面一直拖后腿。Kafka本身是一个复制的分布式日志，但它在历史上一直依赖于另一个复制的分布式日志——Apache ZooKeeper来进行元数据管理和控制器选举。这带来了一些问题：
1）管理多个系统增加了管理负担；2）由于元数据处理和双重缓存，可扩展性有限；3）集群可能变得非常臃肿和资源密集，实际上，看到ZooKeeper和Kafka节点数量相等的集群并不罕见。
这些限制并没有被Apache Kafka的贡献者和维护人员所忽视。他们正在将ZooKeeper替换为自我管理的元数据仲裁系统：Kafka Raft（KRaft）。这种基于事件的Raft变体减少了Kafka元数据管理的管理挑战，并且证明了Kafka生态系统正在朝着现代共识和可靠性方法的方向发展。
不幸的是，KRaft并没有解决在Kafka集群中同时存在两个不同的共识系统的问题。在新的KRaft范式中，KRaft分区处理元数据和集群管理，但复制由代理处理，因此仍然存在这两个不同的平台和由此产生的效率低下的复杂性。
例如，由于Redpanda绕过了Kafka的页缓存和Java虚拟机（JVM）依赖，它可以将硬件级别的知识嵌入到其Raft实现中。通常，每次在Raft中进行写操作时，都需要刷新以确保写入到磁盘的持久性。在Redpanda对Raft的乐观方法中，较小的间断性刷新被放弃，而在调用结束时进行更大的刷新。虽然这会增加每个调用的延迟，但它降低了整体系统延迟并增加了总体吞吐量，因为它减少了刷新操作的总数。
虽然在分布式系统中有很多有效的方法来确保一致性和安全性（例如，区块链通过工作证明和权益证明协议做得非常好），但Raft是一种经过验证的方法，足够灵活，可以进行增强，就像Redpanda一样，以适应新的挑战。随着我们进入一个以数据驱动的可能性的新世界，部分受到人工智能和机器学习用例的推动，将来掌握在能够利用实时数据流的开发人员手中。
基于Raft的系统，结合C++和按核心的线程架构等性能工程化元素，正在推动关键应用程序的数据流未来。
Doug Flora是Redpanda Data的产品营销负责人。
