Raft 论文读书笔记

Raft
In Search of an Understandable Consensus Algorithm (Extended Version)

1. Introduction

一致性算法。一个机器集合如何对外提供一致性，并具有容错性(容忍某些节点失效).

Raft把一致性分为三个关键元素：leader election, log replication, safety

Raft 关键的特性：

1. Strong leader
2. Leader election
3. Membership changes

2. Replicated state machines

在 replicated state machines 的场景下讨论一致性算法。在server集合上的状态机，在一样的状态上进行相同的计算 ，并且在少数server挂掉后，仍能对外提供服务。用于在分布式系统中提供容错性。

replicated state machines 一般使用 replicated log来实现。每个server存储状态机按照顺序执行的一系列命令的日志。每个日志都按照相同的顺序存储命令。一致性算法的职责就是保持 replicated log 的一致性。

典型的一致性算法具有以下属性

• 在所有非拜占庭(non-Byzantine)条件下都是保证安全的，包括：网络延迟，分区，丢包，重复，乱序
• 在大多数server在运作，并可以相互通讯，与客户端通讯的情况下，能够对外提供服务。
• 不依赖于时间来保证logs的一致性：因为不一致的时钟，计算情况下的网络延迟会导致
• 一般情况下，一条命了在集群中大多数响应后即完成。即少数慢的服务器不会影响整体系统性能。

3. What's wrong with Paxos?

• Paxos 难以理解
• 没有为实现提供好的基础

4. Designing for understandability

5. The Raft consensus algorithm

一致性算法的关键属性(Figure 3)：

• Election safety：(5.2节)在一个term期间最多只会选出一个leader
• Leader Append-Only：(5.3节)leader只会新增(append)entries，而永远不会覆盖或删除entries。
• Log Matching：(5.3节)如果两个logs包含一个具有相同index及term的entry，那么这两者，在该index项及之前的所有entries都是一致的
• Leader Completeness：(5.4节)if a log entry is committed in a given term, then that entry will be present in the logs of the leaders for all higher-number terms？
• State Machine Safety：(5.4.3节)如果一个server 在某一index上对状态机applied 了 log entry，不会有其它server 用同样的index，apply一个不一致的log entry

Raft的做法是首先选出leader，全权负责管理replicated log。包括接收客户端的log entries，复制log entries至其他server，告知他们何时可以 apply log entries to their state machines. 在 leader 挂掉或者与其他server失去链接的情况下，选举出新的leader。

Raft把一致性问题拆分为三个子问题：

1. Leader election：在当前 leader 挂掉后选出一个新的 leader
2. Log replication：leader 从客户端接收 log entries 并在集群内进行复制，让其他 logs 与leader的log保持一致
3. Safety：关键需要保证 Figure 3 中的 State Machine Safety. 5.4节描述 Raft 如何保证这一点。为了保证这一点，在 5.2 节选举的方式中也会额外添加了一些限制。

5.1 Raft basics

Figure 4. Server states

server 有三个状态：leader，follower，candidate。一般情况下有且仅有一个leader，其它server都是follower。
Leader 负责处理对外所有客户端的请求(如果client向follwer发起请求，follower把client重定向给leader)。
Follower被动地接收leader及candidates的请求。
Candidate用于选举出新的leader

Raft把时间划分为任意长度的term。每个term以选举开始，如果有candidate赢得选举，其在term内当选leader；在某些情况下发生了split vote，该term以没有leader结束，并在较短时间内发起新的选举。term在Raft中扮演着逻辑始终的角色(logical clock)。

基本的一致性算法，Raft server 之间只需要两类型的RPC调用。而在第7节为在server间转移snapshots添加了第三种RPC。

• RequestVote：在选举期间由candidates发起
• AppendEntries：由leader发起的复制log entries以及heartbeat。

5.2 Leader election

5.3 Log replication

5.4 Safety

5.5 Follower and candidate crashes

5.6 Timing and availability

6. Cluster membership changes

7. Log compaction

8. Client interaction

9. Implemebtation and evaluation