Raft 共识算法

时间：2022-09-30 20:09:08

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raft是一种管理复制日志的算法，raft可以分解成三个相对独立的子问题:

  • 选主（Leader election）：原有的leader故障后需要选举一个新的leader。
  • 复制（Log replication）： leader必须接受client发送的记录（log entries）然后复制到集群中其他节点，并强制要求其他节点的日志和自己保持一致。
  • 安全（Safety）：raft安全的关键是状态机安全：如果存在server将一个特定的记录应用到状态机中，不存在另外一个server在相同的日志索引上应用的是不同的命令。

状态

  • 所有server上的持久性状态（在回应PRC之前更新到稳定存储（stable storage））
    • currentTerm：已知的最新的任期（term）（初始化为0，单调递增）
    • votedFor：当前任期内接受投票的candidateId（如果没有为null）
    • log[]：记录（log entries）；每个记录包含应用到状态机的命令以及leader接收该记录时的任期
  • 所有server上的易变的状态
    • commitIndex：已知已经提交的最高的记录索引（初始化为0，单调递增）
    • lastApplied：已经应用到状态机的最高的记录索引（初始化为0，单调递增）
  • leader上的易变的状态（选举后重新初始化）
    • nextIndex[]：对于每个server，需要发送到这个server的下一条记录的索引（初始化为leader的最新的记录索引+1）
    • matchIndex[]：对于每个server，已知已经复制到这个server的最高的记录索引（初始化为0，单调递增）

AppendEntries RPC（leader调用来复制日志，也会被用作心跳）

  • 参数
    • term：leader的任期
    • leaderId：follower用来重定向客户端
    • prevLogIndex：新记录前一个记录的索引
    • prevLogTerm：prevLogIndex记录的任期
    • entries[]：需要存储的记录（心跳传空，为了提高效率可能会发送多个）
    • leaderCommit：leader的commitIndex
  • 返回
    • term：currentTerm，给leader更新自己的任期
    • success：如果follower包含匹配prevLogIndex和prevLogTerm的记录返回true
  • 接收者实现
    1. term < currentTerm 返回false
    2. prevLogTerm匹配但是找不到匹配prevLogIndex的记录返回false
    3. 如果已经存在的记录与其中一个新记录（index相同但是term不同）冲突，删除存在的这条记录以及后面的所有记录
    4. 添加不存在的新的记录到后面
    5. 如果leaderCommit > commitIndex，设置commitIndex = min(leaderCommit, 最新的记录索引)

RequestVote RPC（被candidate调用来收集选票）

  • 参数
    • term：candidate的任期
    • candidateId：请求投票的candidate
    • lastLogIndex：candidate最新的记录索引
    • lastLogTerm：candidate最新的记录任期
  • 返回
    • term：currentTerm，给candidate更新自己的任期
    • voteGranted：true表示candidate收到投票
  • 接收者实现
    1. term < currentTerm 返回 false
    2. 如果votedFor是null或者candidateId，并且candidate的日志至少和自己一样新，那么就投票给他

server 需遵守的规则

  • 所有server
    • 如果commitIndex > lastApplied：lastApplied自增，将log[lastApplied]应用到状态机中
    • 如果RPC请求或者返回包含term T > currentTerm： 设置currentTerm = T，并切换为follower
  • follower
    • 响应candidate和leader的RPC
    • 如果选举定时器超时没有收到当前leader的AppendEntries RPC或者没有向candidate投票：转换为candidate
  • candidate
    • 在转变成candidate后就立即开始选举过程
      • 自增currentTerm
      • 投票给自己
      • 重置选举定时器
      • 发送RequestVote RPC给所有其他server
    • 如果接收到大多数server的投票：成为leader
    • 如果接收到新leader发出的AppendEntries RPC：成为follower
    • 如果举定时器超时：开始新一轮选举
  • leader
    • 一旦成为*：发送第一个AppendEntries RPC（心跳）给每一个server；空闲时间重复发送防止选举定时器超时
    • 如果接收到客户端的命令：添加记录到本地日志后面，在完全应用到状态机后再响应客户端
    • 如果最新的记录索引 >= 某个follower的nextIndex：发送AppendEntries RPC，包含了从nextIndex开始的记录
      • 如果成功：更新follower的nextIndex和matchIndex
      • 如果因为日志不一致导致的失败：自减nextIndex并重试
    • 如果存在N > commitIndex，大多数的matchIndex[i] ≥ N并且log[N].term == currentTerm：设置commitIndex = N

算法不变量

  • Election Safety：每个任期足以多只有一个leader被选举出来
  • Leader Append-Only：leader不会覆盖或者删除自己的日志的记录；他只会在后面添加新的记录
  • Log Matching：如果两个日志包含一个相同索引和任期的记录，那么我们认为这个索引的记录以及之前的记录的内容完全一致
  • Leader Completeness：如果一个记录在一个任期内被提交，那么更高任期的leader的日志都会包含这个记录
  • State Machine Safety：如果一个server应用了一个给定索引的记录到状态机，不存在其他server在相同的索引位置应用不同的记录

参考：
https://github.com/maemual/raft-zh_cn

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