Raft 算法

Raft 算法是一种用于分布式系统中实现一致性的协议，旨在确保在出现节点故障时，系统中的所有节点可以保持一致的状态。Raft 是一致性协议的一种，它解决了分布式系统中的“分布式一致性”问题，尤其是如何确保在节点崩溃或网络分区的情况下，系统中的所有节点仍然保持一致。

Raft 算法主要用于实现分布式日志复制和状态机的一致性，它通过领导者选举、日志复制、日志一致性检查等机制保证一致性。

Raft算法的核心目标

1. 领导者选举（Leader Election）：在集群中选出一个领导者（Leader）来管理日志复制和客户端请求。
2. 日志复制（Log Replication）：保证所有节点（Follower）的日志与领导者保持一致。
3. 一致性（Consensus）：即使在部分节点失败或出现网络分区的情况下，也能确保日志条目的一致性和安全性。
4. 容错性（Fault Tolerance）：允许部分节点失败，但系统仍然能够正常工作（基于大多数原则）。

Raft算法的核心概念

Raft将分布式共识问题分解为以下三个子问题：

1. 领导者选举：如何在集群中选出一个领导者。
2. 日志复制：如何让领导者将日志条目复制到所有追随者（Follower）。
3. 安全性：如何确保已提交的日志条目不会被覆盖或丢失。

节点角色

在 Raft 算法中，每个节点可以处于以下三种角色之一：

1. 领导者（Leader）：负责处理所有客户端请求。将日志条目复制到其他节点。定期发送心跳（Heartbeat）以保持权威性。
2. 追随者（Follower）：被动地接收领导者的指令和日志条目。如果一段时间未接收到领导者的心跳信号，会成为候选人。
3. 候选人（Candidate）：发起领导者选举的节点。通过请求选票，尝试成为新的领导者。

Raft算法的主要流程

1. 领导者选举

领导者选举是 Raft 的第一步。当集群启动时或现有领导者失效时，会进行选举。

• 触发条件：节点在一段时间内没有收到领导者的心跳信号。
• 选举过程：节点的状态从 Follower 转变为 Candidate。增加当前任期号（term）并向其他节点发送选票请求（RequestVote）。其他节点响应选票请求：如果当前节点的日志比候选人的日志更“新”，则拒绝投票。如果日志较旧，则投票给候选人。候选人获得多数票（超过半数）后，成为新的领导者。

2. 日志复制

领导者接收到客户端的写请求后，会通过以下步骤将日志复制到集群中的所有节点：

1. 领导者将日志条目附加到自己的日志。
2. 通过 AppendEntries RPC，将日志条目发送给所有追随者。
3. 追随者将日志条目写入本地日志，并返回响应。
4. 当领导者收到大多数追随者的确认后，认为日志条目已提交。
5. 领导者通知追随者提交该日志条目，应用到状态机。

日志复制的特点

• 顺序性：日志条目必须按顺序复制，领导者保证所有日志的顺序一致。
• 安全性：一旦日志条目被提交，所有节点最终都会拥有该条目。

3. 日志的一致性

• 任期（Term）：每个任期由领导者选举开始，可能包含多个选举。任期用作逻辑时钟，用于比较不同节点的日志状态。
• 日志匹配性：如果两个日志在同一个索引处的条目相同，则它们之前的所有条目也相同。
• 选举安全性：每个任期最多只能有一个领导者。
• 领导者日志特性：候选人在成为领导者前，必须保证其日志包含了已提交的所有日志。

4. 快照（Snapshot）

随着日志增长，存储空间可能不足。Raft 使用快照来压缩日志：

1. 定期生成快照，保存状态机的当前状态。
2. 丢弃已包含在快照中的日志条目，减少存储占用。
3. 当新节点加入集群时，通过快照而非完整日志同步数据。

Raft 算法的安全性保证

Raft 的设计确保了分布式系统中的一致性和安全性：

1. 已提交的日志条目不可更改：一旦日志条目被提交，后续的领导者必须包含该条目。
2. 大多数原则：任意两个大多数节点的集合必定存在交集，确保一致性。
3. 选举安全性：在同一任期内，最多只有一个领导者。

Raft 与 Paxos 的比较

Raft 算法的优缺点

优点

1. 清晰易懂：将问题分解为领导者选举、日志复制和安全性，易于实现和调试。
2. 高可用性：支持节点失效，允许大多数节点运行即可。
3. 一致性强：已提交的日志不会被覆盖，提供线性一致性。

缺点

1. 性能开销：在每次选举期间，可能导致服务中断。
2. 实现复杂性：尽管比 Paxos 简单，但在高性能场景下仍需优化。
3. 延迟问题：必须等待大多数节点响应，可能增加延迟。

Raft 算法的实际应用

1. Etcd：用于 Kubernetes 的分布式键值存储。
2. Consul：服务发现和配置管理工具。
3. CockroachDB：分布式 SQL 数据库。