Raft
关于与“Raft”标题相近或相同的条目，请见“Raft (消歧义)”。Raft是一种用于替代Paxos的共识算法。相比于Paxos，Raft的目标是提供更清晰的逻辑分工使得算法本身能被更好地理解，同时它安全性更高，并能提供一些额外的特性。[1][2]:1Raft能为在电脑集群之间部署有限状态机提供一种通用方法，并确保集群内的任意节点在某种状态转换上保持一致。Raft算法的开源实现众多，在Go、C++、Java以及 Scala中都有完整的代码实现。Raft这一名字来源于"Reliable, Replicated, Redundant, And Fault-Tolerant"（“可靠、可复制、可冗余、可容错”）的首字母缩写。[3]
集群内的节点都对选举出的领袖采取信任，因此Raft不是一种拜占庭容错算法。[2]
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，伺服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]在起始算法或领袖当机、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执行工作，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、并向其他伺服器拉票。每个伺服器在每个任期只会投一票，固定投给最早拉票的伺服器。
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每个伺服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，就会在其状态机上执行该指令。
当领袖当机时，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，每个伺服器的记录就会一致。
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：如果某伺服器在其状态机上执行了某个指令，其他伺服器保证不会在同个状态上执行不同的指令。
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。
追随者当机
[编辑]当某台追随者当机时，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。当这台追随者开机重新加入集群，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。
领袖当机
[编辑]领袖当机或断线时，每个已存储指令必定已经写入到过半的伺服器中，此时选举流程会让记录最完整的伺服器胜选。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资讯，如果伺服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启动选举是基于超时，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 是单一伺服器发送消息给集群中每台伺服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 是伺服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]- ^ Raft Consensus Algorithm. [2017-12-31]. （原始内容存档于2018-01-20）.
- ^ 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], （原始内容存档 (PDF)于2017-09-05）
- ^ Why the "Raft" name?. [2020-08-12]. （原始内容存档于2011-01-22）.
相关链接
[编辑]外部链接
[编辑]- 官方网站 （英文）