Raft系列文章之一: 什麼是Raft?

簡單的說，Raft是一種易於理解的一致性算法，其功能至關於Paxos。目前不少提供一致性服務的系統都採用Paxos, 例如Chubby, ZooKeeper, 那麼爲什麼還須要Raft？自Lamport 1998年提出Paxos以來, 該協議雖逐漸成爲主流一致性協議，但也以難以理解而著名，實現起來比較困難。針對Raft難以理解的缺陷，Raft 設計的主要目的之一就是容易理解，Raft將整個算法過程分解爲若干個獨立的子過程，而且詳細描述了每一個子過程如何實現，容易理解和實現。我本身也用Java實現了Raft,  代碼在 https://github.com/chicm/CmRaft , 本系列文章的最後我將介紹個人實現。

本文主要參考了In Search of an Understandable Consensus Algorithm (Extended Version)，也包含了我本身的理解。

那麼什麼是一致性算法？

一致性是分佈式容錯系統的基本功能，例如在分佈式共享文件系統中，一般有多臺服務器向客戶提供文件服務，當客戶經過其中一臺服務器A向文件系統存儲 了一個文件，如何保證能從服務器B獲取剛剛保存的文件？其核心問題在於多臺機器就某個值達成一致，一旦某個值達成了一致，客戶向整個集羣的任何一臺機器請 求該值時都會獲得同一個值。通常一致性算法要求系統中大多數服務器處於可用狀態，纔可能就某個值達成一致。例如5臺機器的集羣，至少須要3臺機器是可用的 纔可能就某個值達成一致，這一點經過反證法很容易理解，假設某個值經過集羣的一半或一半一下服務器能達成一致，那麼另一半服務器也可能達成另外一個一致， 若是兩個一致不一樣的話，就不是一致的。分佈式系統的容錯通常經過多副本狀態機來實現。

多副本狀態機

一致性算法一般產生於多副本狀態機情景中，多副本狀態機即集羣中每一個服務器維護一個狀態機，它們維護同一數據狀態的相同副本，當集羣中一個或多個節 點當掉時，整個集羣仍然可以正常運行。多副本狀態機用於解決分佈式系統中的容錯問題，例如在使用GFS, HBase的大型系統中，集羣的Leader節點管理全系統配置信息，這些信息在Master 當掉時必須可以恢復, 這些系統一般使用多副本狀態機來管理Leader選舉和配置信息存儲。Chubby和ZooKeeper都是多副本狀態機。GFS使用Chubby, 而HBase使用ZooKeeper。

多副本狀態機通常採用多分佈日誌來實現，上圖是一個多副本狀態機的例子。在上圖中，服務器中存儲的日誌是命令的執行序列，狀態機依次執行這些命令， 每臺服務器的狀態機按相同順序執行相同命令，所以每臺狀態機的輸出狀態也是同樣的。這樣說有點抽象，咱們按上圖中的例子來講明一下，例若有一個用來存儲鍵 值對的多副本狀態機， 每臺服務按相同順序存儲了以下命令：

1. 設置x=3

2. 設置y=1

3. 設置y=9

在多副本狀態機每一個副本上，狀態機的狀態爲：x=3, y=9

一致性算法主要目標就是用來確保日誌在多個副本上的一致性，例如在上例中，若是系統中有的狀態機獲得的日誌順序是1，2，3，有的是1，3，2，則就是出現了不一致的狀況，一致性算法固然要避免出現這樣的狀況。

一致性算法通常具有以下特性：

正確性：任何條件下都能保證正確性，永遠不向用戶提供一個錯誤的結果

可用性： 只要多數節點可用，並能相互通訊，系統就是可用的，5個節點的集羣，只要有任何3個節點工做正常，整個系統就能正常使用。

不依賴時鐘：即便有的節點時間設置是錯誤的，也能正常工做。

少數緩慢節點不影響全系統性能：只要大多數節點能及時響應，系統不會由於少數節點響應緩慢而性能低下。

Raft特性

Raft是專門針對Paxos難以理解的缺陷而從新設計的新算法，爲使算法容易理解，採用了模塊化設計方法，將整個過程劃分爲若干子過程，包括Leader選舉，日誌分發，確保一致性。Raft和已有的一致性算法有不少類似之處，但也有本身獨特的特性：

Strong Leader： 相對其餘一致性算法，Raft的Leader做用更強，例如，全部日誌都是經過Leader分發給其餘服務器，只有Leader接受客戶請求。這一特性簡化了日誌管理，也讓算法容易理解。

Leader選舉：Leader選舉過程採用隨機時間計時器，這一看起來小小的改進簡單有效快速地解決了Leader選舉過程當中的衝突。

成員變化：當集羣的成員發生變化，例如增長或減小服務器時，Raft採用新的聯合一致性方法來進行處理，能夠保證成員變化過程當中系統正常工做。

後面的系列文章中我會詳細描述Raft原理及全部這些特性。

Raft算法因爲其易於理解，在實現時就更容易把系統實現得更加健壯，所以是比Paxos及其餘一致性算法更爲優秀的算法。目前Raft已經有不少各類語言的實現，包括博主本身的基於Java的實現。

 

文章：http://thesecretlivesofdata.com/raft/