Raft 详解
原创
1. Raft 简介
Raft 是一种共识算法，它确保在分布式系统中的多个节点之间达成一致性。Raft 的核心目标之一是保证数据在所有节点之间的同步。以下是 Raft 如何同步数据的主要步骤：
1.1 Leader 选举
- Raft 将所有节点分为三种角色：Leader（领导者）、Follower（追随者）、Candidate（候选者）。
- 在初始状态或者当 Leader 失效时，节点会进入选举阶段，各节点会竞选成为新的 Leader。
- 通过投票的方式，最终获得超过半数的节点的支持的节点成为新的 Leader。
1.2 日志复制
- Leader 负责接收客户端的写请求，并将这些写请求以日志条目的形式追加到自己的日志中。
- 一旦 Leader 收到一条新的日志条目，它会将这个条目发送给所有的 Follower 节点。
1.3 提交日志
- 当 Leader 发送一条日志给 Follower 后，需要等待超过半数的节点都复制了这个日志，Leader 才会将该日志标记为“已提交”。
- 一旦一条日志被提交，Leader 会通知所有节点该条目已经被提交，这时节点可以将这个日志应用到它们的状态机中。
1.4 心跳机制
- Leader 定期向所有 Follower 发送心跳消息，以保持其领导地位。
- 如果一个 Follower 在一定时间内没有收到 Leader 的心跳消息，它会触发新一轮的选举。
1.5 持久化
- Raft 保证所有的日志条目都会被持久化到存储介质中，以便在节点重启后能够重新加载。
1.6 数据同步的一致性
- 通过 Leader 的中介，确保了所有的节点都复制了相同的日志条目，从而保持了系统的一致性。
2. 通信
在 Raft 算法中，各节点之间通过 RPC（远程过程调用）进行通信。以下是 Raft 中节点之间的主要通信方式：
2.1 请求投票 RPC（RequestVote RPC）
- 在选举过程中，候选者节点会向其他节点发送请求投票的 RPC。
- 请求投票包括候选者的选举 term、候选者的 ID、候选者的最后日志条目的索引和任期。
- 节点在收到请求投票 RPC 后，会检查候选者的信息，并根据自己的状态判断是否投票给该候选者。
2.2 附加日志条目 RPC（AppendEntries RPC）
- Leader 节点负责将新的日志条目发送给 Followers，以保持日志的一致性。
- 附加日志条目 RPC 包括 Leader 的 term、Leader 的 ID、日志条目等信息。
- Followers 收到附加日志条目 RPC 后，会检查 Leader 的信息，如果信息正确，就将日志条目追加到自己的日志中。
2.3 心跳 RPC
- Leader 会定期向 Followers 发送心跳 RPC，以保持对 Leader 的认可。
- 心跳 RPC 实际上是一种特殊的附加日志条目 RPC，其不包含日志内容，仅用于维持 Leader 与 Followers 之间的连接。
- 如果一个 Follower 在一定时间内没有收到 Leader 的心跳，就可能触发新一轮的选举。
这些 RPC 的使用使得 Raft 算法中的节点能够协调完成选举、同步日志等任务。需要注意的是，Raft 通过使用 RPC 确保了消息的有序传递，确保了一致性和可靠性。在实际实现中，这些 RPC 的细节通常会被封装在网络库或通信层中，以简化 Raft 算法的实现。
3. Leader选举
Raft 算法选举 Leader 的过程是确保分布式系统中只有一个 Leader 负责写操作的关键机制之一。以下是 Raft 选举 Leader 的实现细节：
3.1 选举触发条件
- 在 Raft 中，每个节点都有一个当前的 term（任期）。
- 当一个节点启动时，它的 term 被初始化为 0。
- 每个 term 都有一个唯一的标识符，用于区分不同的选举和日志追加阶段。
- 当一个节点发现自己的 term 超过了当前系统中节点的最大 term，它会变成 Candidate 并开始新一轮的选举。
3.2 成为 Candidate
- 节点变成 Candidate 后，它会增加当前 term，并将自己的状态切换为 Candidate。
- 然后，它会向其他节点发送请求投票的 RPC。
3.3 请求投票 RPC（RequestVote RPC）
- Candidate 向其他节点发送请求投票的 RPC，包含自己的 term、ID 以及自己的最后一条日志的 term 和索引。
- 如果接收到请求投票的节点发现 Candidate 的 term 大于自己的 term，它会更新自己的 term，并投票给 Candidate。
- 节点投票给 Candidate 的条件通常是 Candidate 的日志比自己的新，或者两者的日志相同时，选择 term 较大的 Candidate。
3.4 获得多数票
- Candidate 需要获得超过半数的节点的投票，以确保在当前 term 成为 Leader。
- 一旦 Candidate 获得了多数票，它将变成 Leader，并开始发送心跳 RPC 维持其 Leader 地位。
3.5 心跳机制
- Leader 定期向其他节点发送心跳 RPC，以保持其 Leader 地位。
- 如果其他节点在一段时间内没有收到 Leader 的心跳，它们可能会认为 Leader 失效，触发新一轮的选举。
3.6 避免脑裂（Split Vote）
- Raft 算法通过在选举时引入随机的等待时间，避免了脑裂问题，即多个节点同时发起选举，形成没有明确的 Leader 的状态。
- 在发起选举后，Candidate 会等待一个随机的时间再开始下一轮选举，从而减少同时发起选举的可能性。
以上是 Raft 算法选举 Leader 的基本流程。这种基于票数的选举机制确保了系统中只有一个 Leader 负责写操作，从而维护了一致性。
4. AppendEntries的一致性检查
在 Raft 中，AppendEntries 是 Leader 用来将日志条目追加到 Followers 上的追加日志 RPC。一致性检查在 AppendEntries 中的实现是为了确保 Leader 和 Followers 的日志保持一致。这个一致性检查的关键是 Leader 需要向 Followers 提供足够的信息，以便 Followers 可以正确地匹配 Leader 的日志。
以下是 AppendEntries 中的一致性检查的一般过程：
4.1 Leader 向 Followers 发送 AppendEntries RPC
- 这个 RPC 包含了 Leader 当前的 term、Leader ID、Leader 的上一个日志条目的索引和 term（
prevLogIndex和prevLogTerm）、要追加的日志条目（entries）、Leader 的提交索引（leaderCommit）等信息。
4.2 Followers 收到 AppendEntries RPC
- Followers 首先检查
prevLogIndex和prevLogTerm，即 Leader 的上一个日志条目的索引和 term 是否与自己的日志匹配。如果不匹配，说明 Leader 和 Follower 的日志不一致，可能是由于 Leader 发送的 RPC 之前发生了日志的复制失败或其他问题。
4.3 一致性检查
- 如果
prevLogIndex和prevLogTerm匹配，那么 Followers 开始检查要追加的日志条目。 - Followers 需要确保 Leader 发送的日志条目与自己的日志保持一致。这包括比较 Leader 发送的每一条日志条目的 term 和索引。如果某个条目不匹配，Followers 会拒绝追加，Leader 需要回退自己的
nextIndex，然后重新发送AppendEntries。
4.4 应用日志
- 一致性检查通过后，Followers 将 Leader 发送的日志条目追加到自己的日志中。如果 Leader 提交的索引大于 Followers 当前的提交索引，Followers 将自己的提交索引更新为 Leader 的提交索引。
4.5 Leader 等待响应
- Leader 等待 Followers 对
AppendEntries的响应。如果 Followers 成功追加了日志，它会返回成功的响应，Leader 可以继续处理下一个日志条目。如果失败，Leader 需要根据 Followers 提供的信息调整自己的nextIndex。
这种一致性检查确保了 Leader 和 Followers 之间的日志保持一致，即使在网络分区或者节点宕机的情况下，也能够正确地进行日志的同步。
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