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Raft

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Raft是一個共識演算法,取代Paxos。Raft的目標是提供更好理解的演算法[1][2]:1,並且證明可以提供與Paxos相同的容錯性以及效能[1][2]:1

簡介[編輯]

Raft透過選舉領袖(英語:leader)的方式做共識演算法。

在Raft叢集(英語:Raft cluster)裏,伺服器可能會是這三種身份其中一個:領袖(英語:leader)、追隨者(英語:follower),或是候選人(英語:candidate[2]:5。在正常情況下只會有一個領袖,其他都是追隨者[2]:5。而領袖會負責所有外部的請求,如果不是領袖的機器收到時,請求會被導到領袖[2]:5

通常領袖會藉由固定時間發送訊息,也就是「心跳(英語:heartbeat)」[2]:5,讓追隨者知道叢集的領袖還在運作。而每個追隨者都會設計逾時機制(英語:timeout),當超過一定時間沒有收到心跳(通常是150 ms或300 ms[2]:6),叢集就會進入選舉狀態。

Raft將問題拆成數個子問題分開解決[2]:1,讓人更容易了解:

  • 領袖選舉(英語:Leader Election
  • 記錄複寫(英語:Log Replication
  • 安全性(英語:Safety

領袖選舉[編輯]

在起始演算法或領袖當機、斷線的時候,就需要選舉出新的領袖。

此時叢集進入新的任期(英語:term)並開始選舉,如果選舉成功則新的領袖開始執行工作,反之則視此任期終止,開始新的任期並開始下一場選舉。

選舉是由候選人發動的。當領袖的心跳逾時的時候,追隨者就會把自己的任期編號(英語:term counter)加一、宣告競選、投自己一票、並向其他伺服器拉票。每個伺服器在每個任期只會投一票,固定投給最早拉票的伺服器。

如果候選人收到其他候選人的拉票、而且拉票的任期編號不小於自己的任期編號,就會自認落選,成為追隨者,並認定來拉票的候選人為領袖。如果有候選人收到過半的選票就當選為新的領袖。如果逾時仍沒有選出新領袖,此任期自動終止,開始新的任期並開始下一場選舉。

Raft每個伺服器的逾時期限是隨機的,這降低伺服務同時競選的概率,也降低因兩個競選人得票都不過半而選舉失敗的概率。

記錄複寫[編輯]

記錄複寫的責任在領袖身上。

整個叢集有個複寫的狀態機(英語:state machine),可執行外來的指令。領袖接收指令,將之寫入自己記錄中的新指令部分,然後把指令轉發給追隨者。如果有追隨者沒反應,領袖會不斷重發指令、直到每個追隨者都成功將新指令寫入記錄為止。

當領袖收到過半追隨者確認寫入的訊息,就會把指令視為已儲存(英語:committed)。當追隨者發現指令狀態變成已儲存,就會在其狀態機上執行該指令。

當領袖當機時,領袖的某些新指令可能還沒複寫到叢集整體,造成叢集的記錄處於不一致的狀態。新領袖會擔起重返一致的責任,讓每個追隨者的記錄都和它的一致,做法是:和每個追隨者比對記錄,找出兩者一致的最後一筆指令,刪除追隨者之後的指令,把自己之後的指令拷貝給追隨者。這個機制完成時,每個伺服器的記錄就會一致。

安全性[編輯]

Raft的安全性規則[編輯]

Raft保證以下的安全性:

  • 選舉安全性:每個任期最多只能選出一個領袖。
  • 領袖附加性:領袖只會把新指令附加(英語:append)在記錄尾端,不會覆寫或刪除已有指令。
  • 記錄符合性:如果某個指令在兩個記錄中的任期和指令序號一樣,則保證序號較小的指令也完全一樣。
  • 領袖完整性:如果某個指令在某個任期中儲存成功,則保證存在於領袖該任期之後的記錄中。
  • 狀態機安全性:如果某伺服器在其狀態機上執行了某個指令,其他伺服器保證不會在同個狀態上執行不同的指令。

前四項保證的原因詳見上述演算法,狀態機安全性則藉由下述選舉流程的限制所達到。

追隨者當機[編輯]

當某台追隨者當機時,所有給它的轉發指令和拉票的訊息都會因沒有回應而失敗,此時發送端會持續重送。當這台追隨者開機重新加入叢集,就會收到這些訊息,追隨者會重新回應,如果轉發的指令已經寫入,不會重覆寫入。

領袖當機[編輯]

領袖當機或斷線時,每個已儲存指令必定已經寫入到過半的伺服器中,此時選舉流程會讓記錄最完整的伺服器勝選。其中一個因素是Raft候選人拉票時會揭露自己記錄最新一筆的資訊,如果伺服器自己的記錄比較新,就不會投票給候選人。

逾時期限和可用性[編輯]

因為Raft開機選舉是基於逾時,使得逾時期限的選擇至為關鍵。若遵守演算法的時限需求

廣播時間 << 逾時期限 << 平均故障間隔

就能達到穩定性。這三個時間定義如下:

  • 廣播時間 是單一伺服器發送訊息給叢集中每台伺服器並得到回應的平均時間,需要測量得到。
  • 逾時期限 是發動選舉的逾時期限,由部署Raft叢集的人選定。
  • 平均故障間隔 是伺服器發生故障之間的平均時間,可以測量或估計得到。

廣播時間典型是 0.5ms 到 20ms,平均故障間隔通常是用週或月來計算的,所以可以將逾時期限設在 10ms 到 500ms。

參考文獻[編輯]

  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] 

相關連結[編輯]

外部連結[編輯]