[后端]Raft 共识性算法核心思想 2024年11月30日
后端开发
0 条评论

Raft 是一种用于分布式系统的共识算法，旨在提供比 Paxos 更易于理解和实现的共识机制。Raft 主要用于保证分布式系统中各节点的一致性，确保即使在部分节点失效或网络分区的情况下，系统仍然能够可靠地达成一致。Raft 的核心思想围绕日志复制和领导选举来进行，它通过这种方式确保所有节点的数据一致性。下面是 Raft 算法的核心思想和工作原理。

1. 分布式共识的需求

在分布式系统中，特别是涉及多个节点的数据存储和管理时，必须保证所有节点的一致性。这意味着所有节点必须在同一时刻拥有相同的数据，或者至少能在系统恢复时恢复到一个一致的状态。为了实现这一点，Raft 算法提供了机制来确保：

  • 节点间的日志一致性。
  • 在节点失效、网络分区时，系统仍然能够保持一致。
  • 系统能够正确地选举出领导者。

2. Raft 共识算法的基本组成

Raft 的核心思想可以通过以下几个基本组件来理解：

1. 节点状态（Node States）

Raft 中的节点有三种状态：

  • Leader：领导者，负责处理所有客户端请求和日志的复制。只有领导者可以处理写请求并将其日志条目复制到其他节点。
  • Follower：跟随者，默认状态，接收来自领导者的日志条目。如果跟随者接收到领导者的心跳（heartbeat）或日志条目，它就保持在跟随者状态。
  • Candidate：候选者，在没有领导者或领导者无法工作时，节点可以进入候选者状态，发起选举。

2. 日志复制（Log Replication）

Raft 的日志复制机制是保证节点一致性的核心。每个日志条目都包含了一个term（任期）标识，表示它在某个任期内被创建。Raft 保证所有领导者的日志会被同步到所有的跟随者。

  • 日志条目：每个日志条目代表一个客户端的请求或操作，例如修改状态机的指令（例如写入操作）。
  • 日志一致性：当领导者将一个日志条目提交给其他节点时，Raft 要求所有节点（包括领导者和跟随者）都必须以相同的顺序接收这些日志条目，并且只有当日志条目在大多数节点上都被确认时，才能提交该条目。

3. 领导选举（Leader Election）

Raft 依赖领导者来协调所有的日志复制操作。在每个任期中，必须有一个领导者来确保系统的一致性。当系统启动时或在领导者失败后，节点通过选举来确定新的领导者。

  • 选举过程：当节点处于候选者状态时，它会向其他节点请求投票。如果一个节点收到了大多数节点的投票，它就成为新的领导者。
  • 选举规则：候选者必须保证它的日志至少和大多数节点的日志一样新。这是为了避免分裂的情况，即两个候选者同时获得选票。
  • 选举时间超时：如果一个节点长时间没有收到来自领导者的心跳信号，它会变成候选者，发起选举。

4. 心跳机制（Heartbeat）

心跳机制用于保持领导者的活跃性。领导者定期向所有跟随者发送心跳消息，即使没有新的日志条目，也会定期发送，确保跟随者知道领导者仍然在运行，并防止跟随者启动新的选举。

  • 心跳信号：领导者每隔一段时间向每个跟随者发送一个心跳信号。心跳信号不携带数据，只是一个“活跃”信号，表示领导者仍然存在。
  • 防止选举超时：通过心跳，领导者可以避免系统中其他节点进入候选者状态，发起新的选举。

3. Raft 的核心原则

1. 一致性：日志一致性是 Raft 的核心目标。领导者在收到客户端请求时，将请求转化为日志条目并传播到所有跟随者。只有当大多数节点确认该日志条目时，领导者才会将该条目提交（即应用到状态机）。

2. 领导者负责所有操作：Raft 强制要求领导者来管理所有写操作，即所有的日志条目必须通过领导者来同步到所有节点。这样可以确保日志的一致性，并避免出现冲突。

3. 选举机制保证活跃领导者：当一个系统启动时或领导者故障时，Raft 通过选举机制确保总有一个节点充当领导者，从而维持系统的正常运作。选举通过投票机制保证每个任期内只有一个领导者。

4. 日志条目的顺序性：Raft 要求所有的节点都以相同的顺序接收和提交日志条目。日志条目的顺序在所有的节点中保持一致。

5. 安全性保证：Raft 确保领导者选举是安全的，即如果某个日志条目在某个任期内已经被提交，那么所有的领导者在后续任期内必须包含这个条目。这确保了系统的一致性，即使在网络分区或节点失效的情况下，Raft 仍然能保证一致性。

4. Raft 算法的工作流程

  • 日志条目的复制：

    • 领导者接收到来自客户端的请求，创建一个新的日志条目。
    • 领导者将日志条目复制到所有跟随者。
    • 跟随者确认收到条目后，领导者会提交该条目，应用到状态机。
    • 一旦大多数节点确认日志条目，领导者就可以将该条目提交到状态机。

  • 选举过程：

    • 如果没有领导者（例如，领导者死掉了），或者当前领导者的日志过于陈旧，节点会发起选举。
    • 每个节点会投票给它认为最新的候选者，并根据日志的先进程度进行比较。
    • 获得大多数投票的节点成为新的领导者。

  • 心跳机制：

    • 领导者定期向所有跟随者发送心跳消息，以防止跟随者在没有领导者的情况下启动新的选举。

5. Raft 算法的优点与缺点

优点：

  • 易于理解：Raft 的设计比 Paxos 更直观，日志复制和选举过程清晰。
  • 高度容错：即使在节点故障或网络分区的情况下，Raft 也能确保系统一致性。
  • 有效的领导选举：Raft 确保系统中只有一个领导者，避免了多个领导者同时存在的冲突。

缺点：

  • 性能开销：由于每个写请求都需要通过领导者来同步到其他节点，因此在高负载的情况下，性能可能受到影响。
  • 日志复制延迟：每个日志条目都需要在大多数节点中确认后才能提交，这可能导致一定的延迟。

总结

Raft 算法通过引入领导选举、日志复制和心跳机制等关键设计，确保了分布式系统中的一致性和容错性。它通过简化 Paxos 的设计，使得分布式共识的实现变得更加直观和易于理解，成为现代分布式系统中广泛应用的一种共识算法。