Raft 拾遗

背景

本文关注实现 Raft 的关键参数。仅做备忘。

1. 跟随者和候选人崩溃

相比较 leader 崩溃，这个要简单的多，当 follower 崩溃，leader 只需要不断重试即可，当 follower 重启，RPC 重试会成功，注意：RPC 重试是幂等的，因此重试不会造成任何问题。

2. 时间和可用性

在 Raft 中，关于时间，有 3 种类型：

1. 广播时间（broadcastTime）：指一个节点并行的发送 RPC 给其他节点并收到响应的平均时间。
2. 选举超时时间（electionTimeout）：如果一个跟随者在一段时间里没有接收到任何消息，也就是选举超时。
3. 平均故障间隔时间（MTBF）：平均故障间隔时间就是对于一台服务器而言，两次故障之间的平均时间。

Raft 规定，只要系统满足下面的时间要求，就可以选举并维持一个稳定的领导人。

 广播时间（broadcastTime） << 选举超时时间（electionTimeout） << 平均故障间隔时间（MTBF）

通常广播时间比选举超时时间小一个数量级，这样 leader 才能发送稳定的心跳来阻止跟随者进入选举状态；

选举超时时间一般比 MTBF 小几个数量级，这样整个系统才能正常运行。当 leader 崩溃后，整个系统的不可用时间，大约相当于选举时间超时时间。

广播时间和 MTBF 是由系统决定的，只有选举超时时间是我们自己选择的，通常广播时间大约是 0.5 毫秒到 20 毫秒（持久化需要时间），那么，选举超时时间通常在 10 毫秒 到 500 毫秒之间。

而 MTBF 时间，通常平均故障时间在几个月甚至更长，君不见美团的服务器可用性达到 7 个九 ：）因此很容易满足时间的需求。

3. Raft 算法细节：

1. 状态

• 所有服务器上持久存在的

  
  
  

• 所有服务器上经常变的

  
  
  

• 在领导人里经常变化的（选举后重新初始化）

  
  
  

2. 附加日志 RPC

• 具体指令

  
  
  

  由领导人负责调用来复制日志指令，也会用作心跳

• 接受者实现
  1. 如果 term < currentTerm 就返回 false
  2. 如果日志在 prevLogIndex 位置处的日志条目的任期号和 prevLogTerm 不匹配，则返回 false
  3. 如果已经存在的日志条目和新的产生冲突（索引值相同但是任期号不同），删除这一条和之后所有的
  4. 附加任何在已有的日志中不存在的条目
  5. 如果 leaderCommit > commitIndex，令 commitIndex 等于 leaderCommit 和 新日志条目索引值中较小的一个

3. 请求投票 RPC

1. 参数详情

由候选人负责调用用来征集选票

2. 接收者实现
   1. 如果term < currentTerm返回 false
   2. 如果 votedFor 为空或者就是 candidateId，并且候选人的日志至少和自己一样新，那么就投票给他

4. 所有服务器需遵守的规则

1. 所有服务器

• 如果commitIndex > lastApplied，那么就 lastApplied 加一，并把log[lastApplied]应用到状态机中
• 如果接收到的 RPC 请求或响应中，任期号T > currentTerm，那么就令 currentTerm 等于 T，并切换状态为跟随者

2. 跟随者

• 响应来自候选人和领导者的请求
• 如果在超过选举超时时间的情况之前都没有收到领导人的心跳，或者是候选人请求投票的，就自己变成候选人

3. 候选人

• 在转变成候选人后就立即开始选举过程
  • 自增当前的任期号（currentTerm）
  • 给自己投票
  • 重置选举超时计时器
  • 发送请求投票的 RPC 给其他所有服务器
• 如果接收到大多数服务器的选票，那么就变成领导人
• 如果接收到来自新的领导人的附加日志 RPC，转变成跟随者
• 如果选举过程超时，再次发起一轮选举

4. 领导人

• 一旦成为领导人：发送空的附加日志 RPC（心跳）给其他所有的服务器；在一定的空余时间之后不停的重复发送，以阻止跟随者超时

• 如果接收到来自客户端的请求：附加条目到本地日志中，在条目被应用到状态机后响应客户端

• 如果对于一个跟随者，最后日志条目的索引值大于等于 nextIndex，那么：发送从 nextIndex 开始的所有日志条目：
  如果成功：更新相应跟随者的 nextIndex 和 matchIndex
  如果因为日志不一致而失败，减少 nextIndex 重试

• 如果存在一个满足 N > commitIndex 的 N，并且大多数的matchIndex[i] ≥ N 成立，并且 log[N].term == currentTerm成立，那么令 commitIndex 等于这个 N

4. 日志压缩

中文论文“日志压缩”

因为这这块功能不是核心功能，暂时不考虑实现，后面再说 ：）

1. 快照的设计
2. 快照的基础思想

参考

英文 paper pdf 地址

Raft paper 中文翻译 —— 寻找一种易于理解的一致性算法（扩展版）

Raft 作者讲解视频

Raft 作者讲解视频对应的 PPT

一个简单的讲解 Raft 协议的动画