实践案例丨基于 Raft 协议的分布式数据库系统应用

摘要：简单介绍Raft协议的原理、以及存储节点(Pinetree)如何应用 Raft实现复制的一些工程实践经验。

1、引言

在华为分布式数据库的工程实践过程中，我们实现了一个计算存储分离、底层存储基于Raft协议进行复制的分布式数据库系统原型。下面是它的架构图。

计算节点生成日志经过封装后通过网络下发到存储节点，在Raft层达成一致后日志被应用到状态机wal Engine,完成日志的回放和数据的存储管理。

下面简单介绍一下Raft的原理、以及存储节点(Pinetree)如何应用 Raft实现复制的一些工程实践经验。

2、Raft的原理

2.1 Raft的基本原理

Raft 算法一切以领导者为准，实现一系列值的共识和各节点日志的一致。下面重点介绍一下Raft协议的Leader选举、log复制和成员变更。

Raft的选举机制:

协议为每个节点定义了三个状态：Leader、Candidate、Follower，将时间定义为Term，每个Term有一个ID。Term类似逻辑时钟，在每个Term都会有Leader被选举出来。

Leader负责处理所有的写请求、发起日志复制、定时心跳，每个Term期间最多只能有一个Leader，可能会存在选举失败的场景，那么这个Term内是没有Leader。

Follower 处于被动状态，负责处理Leader发过来的RPC请求，并且做出回应。

Candidate 是用来选举一个新的Leader，当Follower超时，就会进入Candidate状态。

初始状态，所有的节点都处于Follower状态，节点超时后，递增current Term进入Candidate，该节点发送广播消息RequestVote RPC给其他Follower请求投票。当收到多数节点的投票后，该节点从Candidate进入Leader。Follower在收到投票请求后，会首先比较Term，然后再比较日志index，如果都满足则更新本地Current Term然后回应RequestVote RPC为其投票。每个Term期间，follower只能投一次票。

Raft的日志同步机制:

当Leader被选举出来后，就可以接受写请求。每个写请求即代表了用户需要复制的指令或Command。Raft协议会给写请求包装上Term和Index，由此组成了Raft的Log entry. Leader把Log entry append到日志中，然后给其它的节点发AppendEntries RPC请求。当Leader确定一个Log entry被大多数节点已经写入日志当中，就apply这条Log entry到状态机中然后返回结果给客户端。

Raft成员变更机制:

成员变更就意味着集群节点数的增加或减少以及替换。Raft协议定义时考虑了成员变更的场景，从而避免由于集群变化引起的系统不可用。Raft是利用上面的Log Entry和一致性协议来实现该功能。成员的变更也是由Leader发起的，Leader会在本地生成一个新的Log entry，同时将Log entry推送到其他的Follower节点。

Follower节点收到Log entry后更新本地日志，并且应用该log中的配置关系。多数节点应用后，Leader就会提交这条变更log entry。还要考虑新就配置的更替所带来的问题。更详细的不再赘述。

2.2 Raft的开源实现

Raft的实现有coreos的etcd/raft、kudu、consul、logcabin、cockroach等。

Etcd 、LogCabin 、Consul 实现的是单个Raft环，无法做到弹性伸缩。而kudu和cockroach实现了多个raft环。kudu的consensus 模块实现了副本的数据复制一致性，kudu将数据分片称之为Tablet, 是kudu table的水平分表，TabletPeer就是在Raft环里面的一个节点. 一个Tablet相当于一个Raft环，一个Tablet对应一个Raft Consensus，这些对应Raft里面的一个环，Consensus Round相当于同步的消息，一个环之间会有多个Consensus Round做同步。而cockroach则是基于etcd/raft实现的多Raft环，它维护了多个Raft实例，被称之为multiraft。

因为Etcd的Raft是目前功能较全的Raft实现之一，最早应用于生产环境，并且做到了很好的模块化。其中Raft内核部分实现了Raft大部分协议，而对外则提供了storage和transport所用的interface，对于使用者可以单独实现灵活性较高，用户还可以自主实现 snapshot、wal ，Raft非常便于移植和应用，因此存储节点Pinetree采用了开源的Etcd中的Raft实现来构建我们的原型系统，也便于后期向Multiraft演进。。

3、工程实践

3.1 实现Raft的存储接口和网络传输

Raft存储部分指的是raft- log的存储，是对日志条目进行持久化的存储，通过benchmark测试发现，raft-log引擎性能是影响整体ops的主要瓶颈，为了更灵活的支持底层存储引擎的快速替换，增加可插拔的存储引擎框架，我们对底层存储引擎进行解耦。Pinetree封装了第三方独立存储接口来适配etcd raft的log存储接口；

通讯部分即Raft Transport、snapShot传输等，采用GRPC+Protobuf来实现，心跳、日志传输AppendEntries RPC、选举RequestVote RPC等应用场景将GRPC设置为简单式，snapShot设置为流式的形式。

3.2 选举问题

Raft可以实现自我选举。但是在实践中发现缺点也很明显，Raft自主选主可能存在如下的问题：

1、不可控：可能随意选择一个满足Raft条件的节点

2、网络闪断导致Leader变动

3、节点忙导致的Leader变动

4、破坏性的节点

为了防止存储节点Leader在不同的AZ或者节点间进行切换，Pinetree采用的方案是由集群管理模块来指定 Leader。Pinetree中将electionTimeout设置为无穷大，关闭Follower可能触发的自动选举过程，一切选举过程由集群管理的建议选主模块来控制。

3.3 读一致性模型

在 Raft 集群中，一般会有 default、consistent、stale 三种一致性模型，如何实现读操作关乎一致性的实现。一般的做法是将一致性的选择权交给用户，让用户根据实际业务特点，按需选择，灵活使用。

Consistent具有最高的读一致性，但是实现上要求所有的读请求都要走一遍Raft 内核并且将会与写操作串行，会给集群造成一定的压力。stale具有很好的性能优势，但是读操作可能会落到数据有延迟的节点上。在Pinetree的设计中，集群管理负责维护存储节点的信息，管理所有节点的Raft主副本的状态，一方面可以对读请求进行负载均衡，另一方面可以根据AZ亲和性、副本上的数据是否有最新的log 来路由读请求。这样在性能和一致性之间进行了最大的tradeoff。

3.4 日志问题

Raft以Leader为中心进行复制需要考虑几个问题：

1、性能问题，如果leader为慢节点会导致长尾

2、日志的同步必须是有序提交

3、切换leader时有一段时间的不可用

问题3我们通过集群管理来最大程度的防止Leader的切换。

对于问题2，因为Pinetree的日志类似innodb的redo log ,采用LSN来编号的，所以应用到Pinetree存储层的的日志必须要保序，不能出现跳过日志段或日志空洞的情况。这就要求发给Raft的日志要做保序处理。计算层产生的wal log都对应一个LSN，LSN代表的是日志在文件中的偏移量，具有单调递增且不连续的特点。因此要求Wal log产生的顺序和apply到pinetree storage的顺序要保证一致。为了满足这一需求，我们在计算层和Raft层中间增加一个适配层，维护一个队列负责进行排序，同时为了应对计算层主备的切换，对消息增加Term以保证日志不会乱序。Raft指令还可能会被重复提交和执行，所以存储层要考虑幂等性的问题。因为Pinetree storage的日志用LSN进行编号，所以可以进行重复apply。

3.5 如何解决假主问题

计算节点需要获取某些元数据信息，每次都必须从Leader中读取数据防止出现备机延迟。在网络隔离的情况下，老的leader不会主动退出，会出现双主的情况，这个假主可能永远不知道自己其实已经不是真正的Raft主节点，导致真Leader和假Leader同时存在并提供读服务，这在无延迟系统是不允许的。

如果每次读请求都走一遍Raft协议可以识别出假主，但是将会严重的影响系统的性能。

Pinetree是通过租约（lease）的方式，让一个Pinetree主节点在提供服务之前，保守地检查自身在这一时刻是否拥有lease，再决定自身能不能提供读服务。因此，就算访问了一个Pinetree假主，假主也因为没有lease而不能提供服务。

3.6 性能问题

涉及到性能Pinetree考虑和优化的地方：

1 如果使用 Raft 算法保证强一致性，那么读写操作都应该在领导者节点上进行。这样的话，读的性能相当于单机，不是很理想，优化实现了基于leader+lease的方式来提供读服务即能保证一致性又不影响性能。

2 优化raft参数：in-flight的数目；transport queue的数量

3 最大限度的异步化，例如：指令在raft达成一致完成持久化后传递给状态机存入消息队列立即返回，后续对消息进行异步并行解析。

4 最大限度的进行Batch和Cache。例如：把一个事务内的写操作缓存到客户端，在事务提交时，再把所有的写打包成一个batch与事务commit请求一起发送给服务端

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