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一、快速了解Raft算法

Raft 适用于一个管理日志一致性的协议，相比于 Paxos 协议 Raft 更易于理解和去实现它。为了提高理解性，Raft 将一致性算法分为了几个部分，包括领导选取（leader selection）、日志复制（log replication）、安全（safety），并且使用了更强的一致性来减少了必须需要考虑的状态。
相比Paxos，Raft算法理解起来更加直观。
Raft算法将Server划分为3种状态，或者也可以称作角色：

  • Leader
    负责Client交互和log复制，同一时刻系统中最多存在1个。
  • Follower
    被动响应请求RPC，从不主动发起请求RPC。
  • Candidate

一种临时的角色，只存在于leader的选举阶段，某个节点想要变成leader，那么就发起投票请求，同时自己变成candidate。如果选举成功，则变为candidate，否则退回为follower
状态或者说角色的流转如下：
对标Eureka的AP一致性，Nacos如何实现Raft算法 | Spring For All - 图1
在Raft中，问题分解为：领导选取、日志复制、安全和成员变化。
复制状态机通过复制日志来实现：
日志：每台机器保存一份日志，日志来自于客户端的请求，包含一系列的命令状态机：状态机会按顺序执行这些命令一致性模型：分布式环境下，保证多机的日志是一致的，这样回放到状态机中的状态是一致的

Raft算法选主流程

Raft中有Term的概念，Term类比中国历史上的朝代更替，Raft 算法将时间划分成为任意不同长度的任期（term）。
对标Eureka的AP一致性，Nacos如何实现Raft算法 | Spring For All - 图2

选举流程

1、follower增加当前的term，转变为candidate。2、candidate投票给自己，并发送RequestVote RPC给集群中的其他服务器。3、收到RequestVote的服务器，在同一term中只会按照先到先得投票给至多一个candidate。且只会投票给log至少和自身一样新的candidate。
关于Raft更详细的描述，可以查看这里，从分布式一致性到共识机制（二）Raft算法

二、Nacos中的CP一致性

Spring Cloud Alibaba Nacos 在 1.0.0 正式支持 AP 和 CP 两种一致性协议，其中的CP一致性协议实现，是基于简化的 Raft 的 CP 一致性。

如何实现Raft算法

Nacos server在启动时，会通过RunningConfig.onApplicationEvent()方法调用RaftCore.init()方法。

启动选举

  1. public static void init() throws Exception {
  3.     Loggers.RAFT.info("initializing Raft sub-system");
  5.     // 启动Notifier，轮询Datums，通知RaftListener
  6.     executor.submit(notifier);
  8.     // 获取Raft集群节点，更新到PeerSet中
  9.     peers.add(NamingProxy.getServers());
  11.     long start = System.currentTimeMillis();
  13.     // 从磁盘加载Datum和term数据进行数据恢复
  14.     RaftStore.load();
  16.     Loggers.RAFT.info("cache loaded, peer count: {}, datum count: {}, current term: {}",
  17.         peers.size(), datums.size(), peers.getTerm());
  19.     while (true) {
  20.         if (notifier.tasks.size() <= 0) {
  21.             break;
  22.         }
  23.         Thread.sleep(1000L);
  24.         System.out.println(notifier.tasks.size());
  25.     }
  27.     Loggers.RAFT.info("finish to load data from disk, cost: {} ms.", (System.currentTimeMillis() - start));
  29.     GlobalExecutor.register(new MasterElection()); // Leader选举
  30.     GlobalExecutor.register1(new HeartBeat()); // Raft心跳
  31.     GlobalExecutor.register(new AddressServerUpdater(), GlobalExecutor.ADDRESS_SERVER_UPDATE_INTERVAL_MS);
  33.     if (peers.size() > 0) {
  34.         if (lock.tryLock(INIT_LOCK_TIME_SECONDS, TimeUnit.SECONDS)) {
  35.             initialized = true;
  36.             lock.unlock();
  37.         }
  38.     } else {
  39.         throw new Exception("peers is empty.");
  40.     }
  42.     Loggers.RAFT.info("timer started: leader timeout ms: {}, heart-beat timeout ms: {}",
  43.         GlobalExecutor.LEADER_TIMEOUT_MS, GlobalExecutor.HEARTBEAT_INTERVAL_MS);
  44. }

在init方法主要做了如下几件事：

  1. 获取Raft集群节点 peers.add(NamingProxy.getServers());
  2. Raft集群数据恢复 RaftStore.load();
  3. Raft选举 GlobalExecutor.register(new MasterElection());
  4. Raft心跳 GlobalExecutor.register(new HeartBeat());
  5. Raft发布内容
  6. Raft保证内容一致性

    选举流程

    其中，raft集群内部节点间是通过暴露的Restful接口，代码在 RaftController 中。RaftController控制器是raft集群内部节点间通信使用的，具体的信息如下
    1. POST HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/vote : 进行投票请求
    2. POST HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/beat : Leader向Follower发送心跳信息
    3. GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/peer : 获取该节点的RaftPeer信息
    4. PUT HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum/reload : 重新加载某日志信息
    5. POST HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum : Leader接收传来的数据并存入
    6. DELETE HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum : Leader接收传来的数据删除操作
    7. GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum : 获取该节点存储的数据信息
    8. GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/state : 获取该节点的状态信息{UP or DOWN}
    9. POST HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum/commit : Follower节点接收Leader传来得到数据存入操作
    10. DELETE HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum : Follower节点接收Leader传来的数据删除操作
    11. GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/leader : 获取当前集群的Leader节点信息
    12. GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/listeners : 获取当前Raft集群的所有事件监听者
    13. RaftPeerSet

    心跳机制

    Raft中使用心跳机制来触发leader选举。心跳定时任务是在GlobalExecutor 中，通过 GlobalExecutor.register(new HeartBeat())注册心跳定时任务，具体操作包括：
  • 重置Leader节点的heart timeout、election timeout；
  • sendBeat()发送心跳包
    1. public class HeartBeat implements Runnable {
    2.       @Override
    3.       public void run() {
    4.           try {
    5.               if (!peers.isReady()) {
    6.                   return;
    7.               }
    8.               RaftPeer local = peers.local();
    9.               local.heartbeatDueMs -= GlobalExecutor.TICK_PERIOD_MS;
    10.               if (local.heartbeatDueMs > 0) {
    11.                   return;
    12.               }
    13.               local.resetHeartbeatDue();
    14.               sendBeat();
    15.           } catch (Exception e) {
    16.               Loggers.RAFT.warn("[RAFT] error while sending beat {}", e);
    17.           }
    18.       }
    19. }
    简单说明了下Nacos中的Raft一致性实现，更详细的流程，可以下载源码，查看 RaftCore 进行了解。源码可以通过以下地址检出：
    1. git clone https://github.com/alibaba/nacos.git
    对标Eureka的AP一致性，Nacos如何实现Raft算法 | Spring For All - 图3

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对标Eureka的AP一致性，Nacos如何实现Raft算法 | Spring For All - 图4

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标签： 算法状态机Raft