算法高级（6）-共识（Raft）算法

一、引言

鉴于Paxos算法的难于理解。Raft算法的两位研究者也提到，他们花了很长的时间来理解Paxos，也觉得很难理解，于是研究出了Raft算法。Raft是一个共识算法（consensus algorithm），所谓共识，就是多个节点对某个事情达成一致的看法，即使是在部分节点故障、网络延时、网络分割的情况下。这些年最为火热的加密货币（比特币、区块链）就需要共识算法，而在分布式系统中，共识算法更多用于提高系统的容错性。

二、算法介绍

【百度百科】Raft是一种共识算法，旨在替代Paxos。 它通过逻辑分离比Paxos更容易理解，但它也被正式证明是安全的，并提供了一些额外的功能。Raft提供了一种在计算系统集群中分布状态机的通用方法，确保集群中的每个节点都同意一系列相同的状态转换。Raft 通过选举一个高贵的领导人，然后给予他全部的管理复制日志的责任来实现一致性。

Raft通过当选的领导者达成共识。集群中的服务器是领导者或追随者，并且在选举的精确情况下可以是候选者（领导者不可用）。领导者负责将日志复制到关注者。它通过发送心跳消息定期通知追随者它的存在。每个跟随者都有一个超时（通常在150到300毫秒之间），它定期接收领导者的心跳。接收到心跳时重置超时时间。如果没有收到心跳，则关注者将其状态更改为候选人并开始领导选举。

每个 server 都可能会在 3 个身份之间切换：

• 领导者（Leader）
• 候选者（Candidate）
• 跟随者（Follower）

而影响他们身份变化的则是选举。
当所有服务器初始化的时候，都是跟随者，这个时候需要一个领导者，所有人都变成候选者，直到有人成功当选领导者。

每个节点上都有一个倒计时器 (Election Timeout)，时间随机在 150ms 到 300ms 之间。有几种情况会重设 Timeout：

1. 收到选举的请求
2. 收到 Leader 的 Heartbeat (后面会讲到)

在 Raft 运行过程中，最主要进行两个活动：

1. 选主 Leader Election
2. 复制日志 Log Replication

三、算法详解

1.Raft 算法选主的具体流程：

第一步，在最初，还没有一个主节点的时候，所有节点的身份都是Follower。每一个节点都有自己的计时器，当计时达到了超时时间（Election Timeout），该节点会转变为Candidate。

第二步，成为Candidate的节点，会首先给自己投票，然后向集群中其他所有的节点发起请求，要求大家都给自己投票。

第三步，其他收到投票请求且还未投票的Follower节点会向发起者投票，发起者收到反馈通知后，票数增加。

第四步，当得票数超过了集群节点数量的一半，该节点晋升为Leader节点。Leader节点会立刻向其他节点发出通知，告诉大家自己才是老大。收到通知的节点全部变为Follower，并且各自的计时器清零。

这里需要说明一点，每个节点的超时时间都是不一样的。比如A节点的超时时间是3秒，B节点的超时时间是5秒，C节点的超时时间是4秒。这样一来，A节点将会最先发起投票请求，而不是所有节点同时发起。为什么这样设计呢？设想如果所有节点同时发起投票，必然会导致大家的票数差不多，形成僵局，谁也当不成老大。那么，成为Leader的节点是否就坐稳了老大的位置呢？并不是。Leader节点需要每隔一段时间向集群其他节点发送心跳通知，表明你们的老大还活着。
一旦Leader节点挂掉，发不出通知，那么计时达到了超时时间的Follower节点会转变为Candidate节点，发起选主投票，周而复始…

2.Raft 算法数据同步流程：

第一步，由客户端提交数据到Leader节点。

第二步，由Leader节点把数据复制到集群内所有的Follower节点。如果一次复制失败，会不断进行重试。

第三步，Follower节点们接收到复制的数据，会反馈给Leader节点。

第四步，如果Leader节点接收到超过半数的Follower反馈，表明复制成功。于是提交自己的数据，并通知客户端数据提交成功。

第五步，由Leader节点通知集群内所有的Follower节点提交数据，从而完成数据同步流程。

四、参考代码

蚂蚁金服开源的JRaft实现比较完美大家可以去看看

这里提供一个简易版的：Raft算法 最简易Java实现

五、总结

Raft 是能够实现分布式系统强一致性的算法，每个系统节点有三种状态 Follower，Candidate，Leader。实现 Raft 算法两个最重要的事是：选主和复制日志。

1. 每一个 server 最多在一个任期内投出一张选票（有任期号约束），先到先得。
2. 要求最多只能有一个人赢得选票。
3. 一旦成功，立即成为领导人，然后广播所有服务器停止投票阻止新得领导产生。

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参考资料：

1. https://blog.csdn.net/yang3z/article/details/81019190
2. https://www.jianshu.com/p/8e4bbe7e276c
3. https://blog.csdn.net/qq_33797928/article/details/91041381
4. https://blog.csdn.net/wolf_love666/article/details/93014047