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Raft

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Raft是一个共识算法,取代Paxos。Raft的目标是提供更好理解的算法[1][2]:1,并且证明可以提供与Paxos相同的容错性以及性能[1][2]:1

简介[编辑]

Raft透过选举领袖(英语:leader)的方式做共识算法。

在Raft集群(英语:Raft cluster)里,服务器可能会是这三种身份其中一个:领袖(英语:leader)、追随者(英语:follower),或是候选人(英语:candidate[2]:5。在正常情况下只会有一个领袖,其他都是追随者[2]:5。而领袖会负责所有外部的请求,如果不是领袖的机器收到时,请求会被导到领袖[2]:5

通常领袖会借由固定时间发送消息,也就是“心跳(英语:heartbeat)”[2]:5,让追随者知道集群的领袖还在运作。而每个追随者都会设计超时机制(英语:timeout),当超过一定时间没有收到心跳(通常是150 ms或300 ms[2]:6),集群就会进入选举状态。

Raft将问题拆成数个子问题分开解决[2]:1,让人更容易了解:

  • 领袖选举(英语:Leader Election
  • 记录复写(英语:Log Replication
  • 安全性(英语:Safety

领袖选举[编辑]

在起始算法或领袖死机、断线的时候,就需要选举出新的领袖。

此时集群进入新的任期(英语:term)并开始选举,如果选举成功则新的领袖开始运行工作,反之则视此任期终止,开始新的任期并开始下一场选举。

选举是由候选人发动的。当领袖的心跳超时的时候,追随者就会把自己的任期编号(英语:term counter)加一、宣告竞选、投自己一票、并向其他服务器拉票。每个服务器在每个任期只会投一票,固定投给最早拉票的服务器。

如果候选人收到其他候选人的拉票、而且拉票的任期编号不小于自己的任期编号,就会自认落选,成为追随者,并认定来拉票的候选人为领袖。如果有候选人收到过半的选票就当选为新的领袖。如果超时仍没有选出新领袖,此任期自动终止,开始新的任期并开始下一场选举。

Raft每个服务器的超时期限是随机的,这降低伺服务同时竞选的几率,也降低因两个竞选人得票都不过半而选举失败的几率。

记录复写[编辑]

记录复写的责任在领袖身上。

整个集群有个复写的状态机(英语:state machine),可执行外来的指令。领袖接收指令,将之写入自己记录中的新指令部分,然后把指令转发给追随者。如果有追随者没反应,领袖会不断重发指令、直到每个追随者都成功将新指令写入记录为止。

当领袖收到过半追随者确认写入的消息,就会把指令视为已存储(英语:committed)。当追随者发现指令状态变成已存储,就会在其状态机上运行该指令。

当领袖死机时,领袖的某些新指令可能还没复写到集群整体,造成集群的记录处于不一致的状态。新领袖会担起重返一致的责任,让每个追随者的记录都和它的一致,做法是:和每个追随者比对记录,找出两者一致的最后一笔指令,删除追随者之后的指令,把自己之后的指令拷贝给追随者。这个机制完成时,每个服务器的记录就会一致。

安全性[编辑]

Raft的安全性规则[编辑]

Raft保证以下的安全性:

  • 选举安全性:每个任期最多只能选出一个领袖。
  • 领袖附加性:领袖只会把新指令附加(英语:append)在记录尾端,不会改写或删除已有指令。
  • 记录符合性:如果某个指令在两个记录中的任期和指令序号一样,则保证序号较小的指令也完全一样。
  • 领袖完整性:如果某个指令在某个任期中存储成功,则保证存在于领袖该任期之后的记录中。
  • 状态机安全性:如果某服务器在其状态机上运行了某个指令,其他服务器保证不会在同个状态上运行不同的指令。

前四项保证的原因详见上述算法,状态机安全性则借由下述选举流程的限制所达到。

追随者死机[编辑]

当某台追随者死机时,所有给它的转发指令和拉票的消息都会因没有回应而失败,此时发送端会持续重送。当这台追随者引导重新加入集群,就会收到这些消息,追随者会重新回应,如果转发的指令已经写入,不会重复写入。

领袖死机[编辑]

领袖死机或断线时,每个已存储指令必定已经写入到过半的服务器中,此时选举流程会让记录最完整的服务器胜选。其中一个因素是Raft候选人拉票时会揭露自己记录最新一笔的信息,如果服务器自己的记录比较新,就不会投票给候选人。

超时期限和可用性[编辑]

因为Raft引导选举是基于超时,使得超时期限的选择至为关键。若遵守算法的时限需求

广播时间 << 超时期限 << 平均故障间隔

就能达到稳定性。这三个时间定义如下:

  • 广播时间 是单一服务器发送消息给集群中每台服务器并得到回应的平均时间,需要测量得到。
  • 超时期限 是发动选举的超时期限,由部署Raft集群的人选定。
  • 平均故障间隔 是服务器发生故障之间的平均时间,可以测量或估计得到。

广播时间典型是 0.5ms 到 20ms,平均故障间隔通常是用周或月来计算的,所以可以将超时期限设在 10ms 到 500ms。

参考文献[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 Raft Consensus Algorithm. [2017-12-31]. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Diego Ongaro, John Ousterhout, In Search of an Understandable Consensus Algorithm (Extended Version) (PDF), [2017-12-31] 

相关链接[编辑]

外部链接[编辑]