兄弟連Go語言培訓區塊鏈共識演算法(1)分布式一致性演算法Raft

兄弟連Go語言培訓培訓課程體系設計架構包括了區塊鏈的基礎語言Go語言、區塊鏈後端技術體系、區塊鏈公鏈、區塊鏈分布式應用開發等內容講解，以及到最後的面試指導和項目實戰。課程由清華微軟Google名師團隊精心打造，曆時半年時間共同研發而出。# 分布式一致性演算法RaftPaxos自1990年提出以後，相當長時間內幾乎已成為分布式一致性演算法的代名詞。但因其難以理解和實現，目前知名實現僅有Chubby、Zookeeper、libpaxos幾種，其中Zookeeper使用的ZAB對Paxos做了大量改進。為此，2013年斯坦福的Diego Ongaro、John Ousterhout，提出了新的更易理解和實現的一致性演算法，即Raft。Raft和Paxos均只要保證n/2+1節點正常，即可服務。相比Paxos，其優勢即為易於理解和實現。Raf將演算法分解為：選擇領導者、日誌複製、安全性等幾個子問題。它的流程即為：開始時在叢集中選舉出Leader負責日誌複製的管理，Leader接收來自用戶端的事務請求（日誌），並將它們複製給叢集中的其他節點，然後通知叢集中的其他節點提交日誌，Leader負責保證其他節點與它的日誌同步。當Leader宕機時，叢集其他節點重新發起選舉，選出的新的Leader。### 角色Raft涉及三種角色：* Leader：即領導者，負責處理來自用戶端的請求，管理日誌複製、以及與Follower保持心跳以維持其領導者地位。* Follower：即追隨者，負責響應來自Leader的日誌複製請求，響應來自Candidate的選舉請求。初始時所有節點均為Follower。* Candidate：即候選者，負責發起選舉投票，Raft啟動後或Leader宕機後，一個節點從Follower轉為Candidate，並發起選舉，選舉成功後，由Candidate轉為Leader。如下為Raft角色狀態轉換圖： ### Term（任期）在Raft中使用了Term（任期）的概念，一輪選舉即為一個Term（任期），一個Term中僅能產生一個Leader。Term使用連續遞增的編號表示，初始時所有Follower的Term均為1。其中某個Follower定時器到期觸發選舉，其狀態轉換為Candidate，此時Term加1變為2，然後開始選舉，有如下幾種可能：* 1、如果當前Term為2的任期內沒有選舉出Leader或出現異常，Term遞增為3，並開始新一輪選舉。* 2、此輪Term為2的任期內選舉出Leader後，如果Leader宕機，此時其他Follower轉為Candidate，Term遞增，並發起新的選舉。* 3、如果Leader或Candidate發現自己的Term比其他Follower小時，Leader或Candidate轉為Follower，Term遞增。* 4、如果Follower發現自己的Term比其他Follower小時，更新Term與其他Follower保持一致。每次Term遞增都將發生新一輪選舉，在Raft正常運行過程中，所有節點Term均一致。如果節點不發生故障，一個Term（任期）會一直保持下去，當某節點收到的請求中Term比當前Term小時拒絕請求。### 選舉初始時所有節點均為Follower，且定時器時間不同。某個節點定時器觸發選舉後，Term遞增，該節點由Follower轉換為Candidate，向其他節點發起投票請求（RequestVote RPC）。有如下幾種可能：* 1、收到過半數節點（n/2+1）投票，由Candidate轉換為Leader，向其他節點發送心跳以維持領導者地位。* 2、如果收到其他節點發送的AppendEntries RPC請求，且該節點Term大於當前節點Term，即發現了新的有效領導者，轉換為Follower，否則保持Candidate拒絕該請求。* 3、選舉逾時，Term遞增，重新發起選舉。每輪Term期間，每個節點均只能投票1次，如果多個Candidate均沒有接收到過半數投票，則每個Candidate Term遞增，重啟定時器並重新發起選舉。因定時器時間隨機，因此不會多次出現多個Candidate同時發起投票的問題。### 日誌複製保證節點的一致性，就要保證所有節點都按順序執行相同的操作序列，日誌複製目的即為此。* 1、Leader接收到用戶端事務請求（即日誌），先將日誌追加到本地Log中，並通過AppendEntries RPC複製給其他Follower。* 2、Follower接收到日誌後，追加到本地Log中，並向Leader發送ACK訊息。* 3、Leader收到過半數Follower的ACK訊息後，將日誌置為已提交並正式提交日誌，通知用戶端，並發送AppendEntries RPC請求通知Follower提交日誌。### 安全性* 1、每個Term期間只能選舉一個Leader。* 2、Leader不會刪除或覆蓋已有日誌條目，只會追加。* 3、如果相同索引位置的日誌條目Term任期號相同，那麼認為從頭到這個索引位置均相同。* 4、如果某個日誌條目在某任期內提交，那麼這個日誌條目必然出現在更大的Term任期號的所有領導中。* 5、如果Leader在某索引位置的日誌條目已提交，那麼其他節點相同索引位置不會提交不同的日誌條目。### RequestVote RPC和AppendEntries RPCRaft中節點通訊使用兩種RPC，即RequestVote RPC和AppendEntries RPC：RequestVote RPC：即請求投票，由Candidate在選舉期間發起。AppendEntries RPC：即附加條目RPC，由Leader發起，用於日誌複製和心跳機制。### 參考文檔* [尋找一種易於理解的一致性演算法（擴充版）](https://github.com/maemual/raft-zh_cn/blob/master/raft-zh_cn.md)* [一致性演算法Raft詳解](http://www.solinx.co/archives/415?utm_source=tuicool&utm_medium=referral)* [Raft 為什麼是更易理解的分布式一致性演算法](https://www.cnblogs.com/mindwind/p/5231986.html)### 後記本文總結的Raft，及之前文章中的Paxos、2PC、3PC均為基於非拜占庭容錯的分布式一致性演算法，即除考慮訊息的丟失、逾時、亂序，但不考慮訊息被篡改。從下個文章起，將總結基於拜占庭容錯的分布式一致性演算法，該演算法在比特幣、以太坊、及其他區塊鏈產品中廣泛使用。128 次點擊  ∙  1 贊