Raft协议详解
说明
分布式存储系统通常通过维护多个副本来进行容错，提高系统的可用性。要实现此目标，就必须要解决分布式存储系统的最核心问题：维护多个副本的一致性。
首先需要解释一下什么是一致性（consensus）,它是构建具有容错性（fault-tolerant）的分布式系统的基础。 在一个具有一致性的性质的集群里面，同一时刻所有的结点对存储在其中的某个值都有相同的结果，即对其共享的存储保持一致。集群具有自动恢复的性质，当少数结点失效的时候不影响集群的正常工作，当大多数集群中的结点失效的时候，集群则会停止服务（不会返回一个错误的结果）。
一致性协议就是用来干这事的，用来保证即使在部分(确切地说是小部分)副本宕机的情况下，系统仍然能正常对外提供服务。一致性协议通常基于replicated state machines，即所有结点都从同一个state出发，都经过同样的一些操作序列（log），最后到达同样的state。
架构
系统中每个结点有三个组件：
状态机: 当我们说一致性的时候，实际就是在说要保证这个状态机的一致性。状态机会从log里面取出所有的命令，然后执行一遍，得到的结果就是我们对外提供的保证了一致性的数据
Log: 保存了所有修改记录
一致性模块: 一致性模块算法就是用来保证写入的log的命令的一致性，这也是raft算法核心内容
协议内容
Raft协议将一致性协议的核心内容分拆成为几个关键阶段，以简化流程，提高协议的可理解性。
Leader election
Raft协议的每个副本都会处于三种状态之一：Leader、Follower、Candidate。
Leader：所有请求的处理者，Leader副本接受client的更新请求，本地处理后再同步至多个其他副本；
Follower：请求的被动更新者，从Leader接受更新请求，然后写入本地日志文件
Candidate：如果Follower副本在一段时间内没有收到Leader副本的心跳，则判断Leader可能已经故障，此时启动选主过程，此时副本会变成Candidate状态，直到选主结束。
时间被分为很多连续的随机长度的term，term有唯一的id。每个term一开始就进行选主：
- Follower将自己维护的current_term_id加1。
- 然后将自己的状态转成Candidate
- 发送RequestVoteRPC消息(带上current_term_id) 给 其它所有server
这个过程会有三种结果：
- 自己被选成了主。当收到了majority的投票后，状态切成Leader，并且定期给其它的所有server发心跳消息（不带log的AppendEntriesRPC）以告诉对方自己是current_term_id所标识的term的leader。每个term最多只有一个leader，term id作为logical clock，在每个RPC消息中都会带上，用于检测过期的消息。当一个server收到的RPC消息中的rpc_term_id比本地的current_term_id更大时，就更新current_term_id为rpc_term_id，并且如果当前state为leader或者candidate时，将自己的状态切成follower。如果rpc_term_id比本地的current_term_id更小，则拒绝这个RPC消息。
- 别人成为了主。如1所述，当Candidator在等待投票的过程中，收到了大于或者等于本地的current_term_id的声明对方是leader的AppendEntriesRPC时，则将自己的state切成follower，并且更新本地的current_term_id。
- 没有选出主。当投票被瓜分，没有任何一个candidate收到了majority的vote时，没有leader被选出。这种情况下，每个candidate等待的投票的过程就超时了，接着candidates都会将本地的current_term_id再加1，发起RequestVoteRPC进行新一轮的leader election。
投票策略：
- 每个节点只会给每个term投一票，具体的是否同意和后续的Safety有关。
- 当投票被瓜分后，所有的candidate同时超时，然后有可能进入新一轮的票数被瓜分，为了避免这个问题，Raft采用一种很简单的方法：每个Candidate的election timeout从150ms-300ms之间随机取，那么第一个超时的Candidate就可以发起新一轮的leader election，带着最大的term_id给其它所有server发送RequestVoteRPC消息，从而自己成为leader，然后给他们发送心跳消息以告诉他们自己是主。
Log Replication
当Leader被选出来后，就可以接受客户端发来的请求了，每个请求包含一条需要被replicated state machines执行的命令。leader会把它作为一个log entry append到日志中，然后给其它的server发AppendEntriesRPC请求。当Leader确定一个log entry被safely replicated了（大多数副本已经将该命令写入日志当中），就apply这条log entry到状态机中然后返回结果给客户端。如果某个Follower宕机了或者运行的很慢，或者网络丢包了，则会一直给这个Follower发AppendEntriesRPC直到日志一致。
当一条日志是commited时，Leader才可以将它应用到状态机中。Raft保证一条commited的log entry已经持久化了并且会被所有的节点执行。
当一个新的Leader被选出来时，它的日志和其它的Follower的日志可能不一样，这个时候，就需要一个机制来保证日志的一致性。一个新leader产生时，集群状态可能如下：
新Leader产生后，就以Leader上的log为准。其它的follower要么少了数据比如b，要么多了数据，比如d，要么既少了又多了数据，比如f。
因此，需要有一种机制来让leader和follower对log达成一致，leader会为每个follower维护一个nextIndex，表示leader给各个follower发送的下一条log entry在log中的index，初始化为leader的最后一条log entry的下一个位置。leader给follower发送AppendEntriesRPC消息，带着(term_id, (nextIndex-1))， term_id即(nextIndex-1)这个槽位的log entry的term_id，follower接收到AppendEntriesRPC后，会从自己的log中找是不是存在这样的log entry，如果不存在，就给leader回复拒绝消息，然后leader则将nextIndex减1，再重复，知道AppendEntriesRPC消息被接收。
以leader和b为例：
初始化，nextIndex为11，leader给b发送AppendEntriesRPC(6,10)，b在自己log的10号槽位中没有找到term_id为6的log entry。则给leader回应一个拒绝消息。接着，leader将nextIndex减一，变成10，然后给b发送AppendEntriesRPC(6, 9)，b在自己log的9号槽位中同样没有找到term_id为6的log entry。循环下去，直到leader发送了AppendEntriesRPC(4,4)，b在自己log的槽位4中找到了term_id为4的log entry。接收了消息。随后，leader就可以从槽位5开始给b推送日志了。
Safety
- 哪些follower有资格成为leader?
Raft保证被选为新leader的节点拥有所有已提交的log entry，这与ViewStamped Replication不同，后者不需要这个保证，而是通过其他机制从follower拉取自己没有的提交的日志记录
这个保证是在RequestVoteRPC阶段做的，candidate在发送RequestVoteRPC时，会带上自己的最后一条日志记录的term_id和index，其他节点收到消息时，如果发现自己的日志比RPC请求中携带的更新，拒绝投票。日志比较的原则是，如果本地的最后一条log entry的term id更大，则更新，如果term id一样大，则日志更多的更大(index更大)。
- 哪些日志记录被认为是commited?
- leader正在replicate当前term（即term 2）的日志记录给其它Follower，一旦leader确认了这条log entry被majority写盘了，这条log entry就被认为是committed。如图a，S1作为当前term即term2的leader，log index为2的日志被majority写盘了，这条log entry被认为是commited
- leader正在replicate更早的term的log entry给其它follower。图b的状态是这么出来的。
对协议的一点修正
在实际的协议中，需要进行一些微调，这是因为可能会出现下面这种情况：
- 在阶段a，term为2，S1是Leader，且S1写入日志（term, index）为(2, 2)，并且日志被同步写入了S2；
- 在阶段b，S1离线，触发一次新的选主，此时S5被选为新的Leader，此时系统term为3，且写入了日志（term, index）为（3， 2）;
- S5尚未将日志推送到Followers变离线了，进而触发了一次新的选主，而之前离线的S1经过重新上线后被选中变成Leader，此时系统term为4，此时S1会将自己的日志同步到Followers，按照上图就是将日志（2， 2）同步到了S3，而此时由于该日志已经被同步到了多数节点（S1, S2, S3），因此，此时日志（2，2）可以被commit了（即更新到状态机）；
- 在阶段d，S1又很不幸地下线了，系统触发一次选主，而S5有可能被选为新的Leader（这是因为S5可以满足作为主的一切条件：1. term = 5 > 4，2. 最新的日志为（3，2），比大多数节点（如S2/S3/S4的日志都新），然后S5会将自己的日志更新到Followers，于是S2、S3中已经被提交的日志（2，2）被截断了，这是致命性的错误，因为一致性协议中不允许出现已经应用到状态机中的日志被截断。
为了避免这种致命错误，需要对协议进行一个微调：
只允许主节点提交包含当前term的日志
针对上述情况就是：即使日志（2，2）已经被大多数节点（S1、S2、S3）确认了，但是它不能被Commit，因为它是来自之前term(2)的日志，直到S1在当前term（4）产生的日志（4， 4）被大多数Follower确认，S1方可Commit（4，4）这条日志，当然，根据Raft定义，（4，4）之前的所有日志也会被Commit。此时即使S1再下线，重新选主时S5不可能成为Leader，因为它没有包含大多数节点已经拥有的日志（4，4）。
Log Compaction
在实际的系统中，不能让日志无限增长，否则系统重启时需要花很长的时间进行回放，从而影响availability。Raft采用对整个系统进行snapshot来处理，snapshot之前的日志都可以丢弃。Snapshot技术在Chubby和ZooKeeper系统中都有采用。
Raft使用的方案是：每个副本独立的对自己的系统状态进行Snapshot，并且只能对已经提交的日志记录（已经应用到状态机）进行snapshot。
Snapshot中包含以下内容：
- 日志元数据，最后一条commited log entry的 (log index, last_included_term)。这两个值在Snapshot之后的第一条log entry的AppendEntriesRPC的consistency check的时候会被用上，之前讲过。一旦这个server做完了snapshot，就可以把这条记录的最后一条log index及其之前的所有的log entry都删掉。
- 系统状态机：存储系统当前状态（这是怎么生成的呢？）
snapshot的缺点就是不是增量的，即使内存中某个值没有变，下次做snapshot的时候同样会被dump到磁盘。当leader需要发给某个follower的log entry被丢弃了(因为leader做了snapshot)，leader会将snapshot发给落后太多的follower。或者当新加进一台机器时，也会发送snapshot给它。发送snapshot使用新的RPC，InstalledSnapshot。
做snapshot有一些需要注意的性能点，1. 不要做太频繁，否则消耗磁盘带宽。 2. 不要做的太不频繁，否则一旦节点重启需要回放大量日志，影响可用性。系统推荐当日志达到某个固定的大小做一次snapshot。3. 做一次snapshot可能耗时过长，会影响正常log entry的replicate。这个可以通过使用copy-on-write的技术来避免snapshot过程影响正常log entry的replicate。
集群拓扑变化
集群拓扑变化的意思是在运行过程中多副本集群的结构性变化，如增加/减少副本数、节点替换等。
Raft协议定义时也考虑了这种情况，从而避免由于下线老集群上线新集群而引起的系统不可用。Raft也是利用上面的Log Entry和一致性协议来实现该功能。
假设在Raft中，老集群配置用Cold表示，新集群配置用Cnew表示，整个集群拓扑变化的流程如下：
- 当集群成员配置改变时，leader收到人工发出的重配置命令从Cold切成Cnew；
- Leader副本在本地生成一个新的log entry，其内容是Cold∪Cnew，代表当前时刻新旧拓扑配置共存，写入本地日志，同时将该log entry推送至其他Follower节点
- Follower副本收到log entry后更新本地日志，并且此时就以该配置作为自己了解的全局拓扑结构，
- 如果多数Follower确认了Cold U Cnew这条日志的时候，Leader就Commit这条log entry；
- 接下来Leader生成一条新的log entry，其内容是全新的配置Cnew，同样将该log entry写入本地日志，同时推送到Follower上；
- Follower收到新的配置日志Cnew后，将其写入日志，并且从此刻起，就以该新的配置作为系统拓扑，并且如果发现自己不在Cnew这个配置中会自动退出
- Leader收到多数Follower的确认消息以后，给客户端发起命令执行成功的消息
异常分析
- 如果Leader的Cold U Cnew尚未推送到Follower，Leader就挂了，此时选出的新的Leader并不包含这条日志，此时新的Leader依然使用Cold作为全局拓扑配置
- 如果Leader的Cold U Cnew推送到大部分的Follower后就挂了，此时选出的新的Leader可能是Cold也可能是Cnew中的某个Follower；
- 如果Leader在推送Cnew配置的过程中挂了，那么和2一样，新选出来的Leader可能是Cold也可能是Cnew中的某一个，那么此时客户端继续执行一次改变配置的命令即可
- 如果大多数的Follower确认了Cnew这个消息后，那么接下来即使Leader挂了，新选出来的Leader也肯定是位于Cnew这个配置中的，因为有Raft的协议保证。
为什么需要弄这样一个两阶段协议，而不能直接从Cold切换至Cnew？
这是因为，如果直接这么简单粗暴的来做的话，可能会产生多主。简单说明下：
假设Cold为拓扑为(S1, S2, S3)，且S1为当前的Leader，如下图：
假如此时变更了系统配置，将集群范围扩大为5个，新增了S4和S5两个服务节点，这个消息被分别推送至S2和S3，但是假如只有S3收到了消息并处理，S2尚未得到该消息
这时在S2的眼里，拓扑依然是
最终，候选者S2获得了S1和S2自己的赞成票，那么在它眼里，它就变成了Leader，而S3获得了S4、S5和S3自己的赞成票，在它眼里S3也变成了Leader，那么多Leader的问题就产生了。而产生该问题的最根本原因是S2和S3的系统视图不一致。