Raft论文学习笔记

先附上论文链接  https://pdos.csail.mit.edu/6.824/papers/raft-extended.pdf

最近在自学MIT的6.824分布式课程，找到两个比较好的github：MIT课程《Distributed Systems 》学习和翻译 和 https://github.com/chaozh/MIT-6.824-2017

6.824的Lab 2 就是实现Raft算法。Raft是一种分布式一致性算法，提供了和paxos相同的功能和性能，但比paxos要容易理解很多。

一：Raft的一些概念

为了提升可理解性，Raft 将一致性算法分解成了几个部分：、

1）Leader选举：当之前的Leader宕机的时候，要选出新的Leader

2）日志复制：Leader从客户端接收日志然后复制到集群中的其它节点，并且要使其它节点的日志保持和自己相同

3）安全性：如果有任何的服务器节点已经commit一个日志条目到它的状态机中，那么其它服务器节点不能在同一个日志索引位置commit一个不同的指令。

Raft将系统中的角色分为领导者（Leader）、跟随者（Follower）和候选人（Candidate）：

Leader：通常情况下系统中只有一个Leader，其它服务器节点都是Follower。Leader负责接受客户端的请求并把日志同步到Follower。Raft 中日志条目都遵循着从Leader发送给其它节点这一个方向，这也是Raft追求简单易懂的体现，像Viewstamped Replication和Zookeeper日志条目的流动都是双向的，导致机制比较复杂。

Follower：接受并持久化Leader同步的日志，在Leader告之日志可以提交之后，提交日志。

Candidate：Leader选举过程中的临时角色。

这三种角色的转换如下图：

Follower只响应来自其他服务器的请求。如果Follower接收不到消息，那么它就会变成Candidate并发起一次选举。获得集群中大多数选票的Candidate将成为Leader。Leader在宕机之前一直都会是Leader。

Raft算法将时间分为一个个的任期（term），每一个term的开始都是Leader选举。在成功选举Leader之后，Leader会在整个term内管理整个集群。如果Leader选举失败，该term就会因为没有Leader而结束，在下一个term继续选Leader。

 二：Leader选举

　　Raft 使用一种心跳机制来触发领导人选举。在初始状态，服务器节点都是Follower，如果Follower在一段时间（election timeout）内没有接收到Leader的心跳，则认为Leader挂了。此时Follower会将term加1，并转换为Candidate状态。然后Follower会向集群中其它服务器节点发送RequestVote消息请求其它节点投票给自己。一个节点收到RequestVote 消息后通过比较两份日志中最后一条日志条目的索引值和term得出谁的日志比较新。如果本节点的日志比较新，则会拒绝掉该投票请求，否则赞成。当Candidate得到大多数节点的赞成后，则此Candidate会成为Leader，并不断发送心跳给其它节点，以维持其Leader地位。
　　这种选举方法保证了Leader有着最新的日志，这样就能保证日志条目都遵循着从Leader发送给其它节点这一个方向，使Raft更容易理解。

　　如果选票被瓜分，会导致所有Candidate都无法得到大多数节点的赞成票，会导致选举失败。在下一轮选举中，同样也会出现这种选票瓜分的情况。为了避免出现这种问题，raft将选举超时时间随机化，这样就不会出现多个Candidate同时选举超时，再同时发起选举的情况。这样在第一个选举超时的Candidate会有最大的term，发送RequestVote从而成为Leader。

三、日志复制

　　Leader被选举出来后，就可以接受客户端的请求了。客户端的每个请求都包含一条被Replicated State Matchine执行的指令。Leader把客户端发过来的指令作为一条新的日志条目加到日志中区，随后发起AppendEntries RPC请求将指令发送给其它节点。当日志条目被安全地复制（大多数节点已经将该日志条目写入日志当中）后，则Leader将这个日志条目应用到它的状态机中，然后把执行结果返回给客户端。

　　那么Follower 是怎么接受来自Leader 的AppendEntries 的呢？先说一下一致性检查的过程。由于Follower可能落后Leader一些日志（比如之前挂了后来恢复了），或者比Leader多一些日志（比如这个结点是上一个term的Leader，有一些日志还没Commited就挂了），而raft要求Follower要完整复制Leader的日志，因需要进行一致性检查。在发送AppendEntries  RPC时，Leader会包含最新日志的前一个条目的索引和任期号。如果Follower在日志中找不到包含相同索引号和任期号的条目，那么它将会拒接接受新的日志条目。

　　Leadre针对每个Follower维护了一个nextIndex，表示下一个要发送给Follower的日志条目的索引。当一个Leader刚被选举出时，将nextIndex初始化为自己最新日志的index+1。如果AppendEntries 请求被拒绝，Leader会减小nextIndex进行重试，直到在某个位置Leader和Follower的日志一致，则AppendEntries  RPC成功，Follower上冲突的日志条目会全部删除并加上Leader的日志。这时，Follower的日志就会和Leader保持一致。

之前任期日志条目的处理

　　本轮任期的Leader不能提交一个之前任期内的日志条目，否则可能会出现下述情况

1. 在阶段a，term为2，S1是Leader，且S1写入日志（term, index）为(2, 2)，并且日志被同步写入了S2；
2. 在阶段b，S1离线，触发一次新的选主，此时S5被选为新的Leader，此时系统term为3，且写入了日志（term, index）为（3， 2）;
3. S5尚未将日志推送到Followers变离线了，进而触发了一次新的选主，而之前离线的S1经过重新上线后被选中变成Leader，此时系统term为4，此时S1会将自己的日志同步到Followers，按照上图就是将日志（2， 2）同步到了S3，而此时由于该日志已经被同步到了多数节点（S1, S2, S3），因此，此时日志（2，2）可以被commit了（即更新到状态机）；
4. 在阶段d，S1又很不幸地下线了，系统触发一次选主，而S5有可能被选为新的Leader（这是因为S5可以满足作为主的一切条件：1. term = 5 > 4，2. 最新的日志为（3，2），比大多数节点（如S2/S3/S4的日志都新），然后S5会将自己的日志更新到Followers，于是S2、S3中已经被提交的日志（2，2）被截断了，这是致命性的错误，因为一致性协议中不允许出现已经应用到状态机中的日志被截断。

为了避免这种错误，Raft要求只有Leader当前term里的日志可以被提交。当然，由于日志匹配特性，之前的日志条目也会被提交。

参考链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/27207160