当前位置:

首页 > 业界资讯 > 分布式系统必须知道的一个共识算法:Raft

分布式系统必须知道的一个共识算法:Raft

一、Raft概述​​Raft算法​​​是分布式系统开发首选的​​共识算法​​。比如现在流行Etcd、Consul。如果​​掌握​​​了这个算法,就可以较容易地处理绝大部分场景的​​容错​​​和​​一致性​​需求。比如分布式配置系统、分布式NoSQL存储等等,轻松突破系统的单机限制。Raft算法是通过一切以领导者为准的方式,实现一系列值的共识和各节点日志的一致。二、Raft角色2.1角色跟随者(Follower):​​普通群众​​,默默接收和来自领导者的消息,当领导者心跳信息超时的时候,就主

本文目录

    一、Raft 概述

    ​​Raft 算法​​​是分布式系统开发首选的​​共识算法​​。比如现在流行 Etcd、Consul。

    如果​​掌握​​​了这个算法,就可以较容易地处理绝大部分场景的​​容错​​​和​​一致性​​需求。比如分布式配置系统、分布式 NoSQL 存储等等,轻松突破系统的单机限制。

    Raft 算法是通过一切以领导者为准的方式,实现一系列值的共识和各节点日志的一致。

    二、Raft 角色

    2.1 角色

    跟随者(Follower):​​普通群众​​,默默接收和来自领导者的消息,当领导者心跳信息超时的时候,就主动站出来,推荐自己当候选人。

    候选人(Candidate):​​候选人​​将向其他节点请求投票 RPC 消息,通知其他节点来投票,如果赢得了大多数投票选票,就晋升当领导者。

    领导者(Leader):​​霸道总裁​​,一切以我为准。处理写请求、管理日志复制和不断地发送心跳信息,通知其他节点“我是领导者,我还活着,你们不要”发起新的选举,不用找新领导来替代我。

    如下图所示,分别用三种图代表跟随者、候选人和领导者。

    角色

    三、单节点系统

    3.1 数据库服务器

    现在我们想象一下,有一个单节点系统,这个节点作为数据库服务器,且存储了一个值为 X。

    数据库服务器

    3.2 客户端

    左边绿色的实心圈就是客户端,右边的蓝色实心圈就是节点 a(Node a)。Term 代表任期,后面会讲到。

    分布式系统必须知道的一个共识算法:Raft

    客户端

    3.3 客户端向服务器发送数据

    客户端向单节点服务器发送了一条更新操作,设置数据库中存的值为 8。单机环境下(单个服务器节点),客户端从服务器拿到的值也是 8。一致性非常容易保证。

    分布式系统必须知道的一个共识算法:Raft

    客户端向服务器发送数据

    3.4 多节点如何保证一致性?

    但如果有多个服务器节点,怎么保证一致性呢?比如有三个节点:a,b,c。如下图所示。这三个节点组成一个数据库集群。客户端对这三个节点进行更新操作,如何保证三个节点中存的值一致?这个就是分布式一致性问题。Raft 算法就是来解决这个问题的。当然还有其他协议也可以保证,本篇只针对 Raft 算法。

    分布式系统必须知道的一个共识算法:Raft

    在多节点集群中,在节点故障、分区错误等异常情况下,Raft 算法如何保证在同一个时间,集群中只有一个领导者呢?下面就开始讲解 Raft 算法选举领导者的过程。

    四、选举领导过程

    4.1 初始状态

    初始状态下,集群中所有节点都是跟随者的状态。

    如下图所示,有三个节点(Node) a、b、c,任期(Term)都为 0。

    分布式系统必须知道的一个共识算法:Raft

    初始状态

    4.2 成为候选者

    Raft 算法实现了随机超时时间的特性,每个节点等待领导者节点心跳信息的超时时间间隔是随机的。比如 A 节点等待超时的时间间隔 150 ms,B 节点 200 ms,C 节点 300 ms。那么 a 先超时,最先因为没有等到领导者的心跳信息,发生超时。如下图所示,三个节点的超时计时器开始运行。

    超时时间

    当 A 节点的超时时间到了后,A 节点成为候选者,并增加自己的任期编号,Term 值从 0 更新为 1,并给自己投了一票。

    • Node A:Term = 1, Vote Count = 1。
    • Node B:Term = 0。
    • Node C:Term = 0。

    分布式系统必须知道的一个共识算法:Raft

    成为候选者

    4.3 投票

    我们来看下候选者如何成为领导者的。

    分布式系统必须知道的一个共识算法:Raft

    Leader 选举

    • 第一步:节点 A 成为候选者后,向其他节点发送请求投票 RPC 信息,请它们选举自己为领导者。
    • 第二步:节点 B 和 节点 C 接收到节点 A 发送的请求投票信息后,在编号为 1 的这届任期内,还没有进行过投票,就把选票投给节点 A,并增加自己的任期编号。
    • 第三步:节点 A 收到 3 次投票,得到了大多数节点的投票,从候选者成为本届任期内的新的领导者。
    • 第四步:节点 A 作为领导者,固定的时间间隔给 节点 B 和节点 C 发送心跳信息,告诉节点 B 和 C,我是领导者,组织其他跟随者发起新的选举。
    • 第五步:节点 B 和节点 C 发送响应信息给节点 A,告诉节点 A 我是正常的。

    4.4 任期

    英文单词是 term,领导者是有任期的。

    • 自动增加:跟随者在等待领导者心跳信息超时后,推荐自己为候选人,会增加自己的任期号,如上图所示,节点 A 任期为 0,推举自己为候选人时,任期编号增加为 1。
    • 更新为较大值:当节点发现自己的任期编号比其他节点小时,会更新到较大的编号值。比如节点 A 的任期为 1,请求投票,投票消息中包含了节点 A 的任期编号,且编号为 1,节点 B 收到消息后,会将自己的任期编号更新为 1。
    • 恢复为跟随者:如果一个候选人或者领导者,发现自己的任期编号比其他节点小,那么它会立即恢复成跟随者状态。这种场景出现在分区错误恢复后,任期为 3 的领导者受到任期编号为 4 的心跳消息,那么前者将立即恢复成跟随者状态。
    • 拒绝消息:如果一个节点接收到较小的任期编号值的请求,那么它会直接拒绝这个请求,比如任期编号为 6 的节点 A,收到任期编号为 5 的节点 B 的请求投票 RPC 消息,那么节点 A 会拒绝这个消息。

    4.5 选举规则

    • 一个任期内,领导者一直都会领导者,直到自身出现问题(如宕机),或者网络问题(延迟),其他节点发起一轮新的选举。
    • 在一次选举中,每一个服务器节点最多会对一个任期编号投出一张选票,投完了就没了。

    4.6 大多数

    假设一个集群由 N 个节点组成,那么大多数就是至少 N/2+1。例如:3 个节点的集群,大多数就是 2。

    4.7 心跳超时

    为了防止多个节点同时发起投票,会给每个节点分配一个随机的选举超时时间。这个时间内,节点不能成为候选者,只能等到超时。比如上述例子,节点 A 先超时,先成为了候选者。这种巧妙的设计,在大多数情况下只有一个服务器节点先发起选举,而不是同时发起选举,减少了因选票瓜分导致选举失败的情况。

    分布式系统必须知道的一个共识算法:Raft

    成为候选者

    五、领导者故障

    如果领导者节点出现故障,则会触发新的一轮选举。如下图所示,领导者节点 A 发生故障,节点 B 和 节点 C 就会重新选举 Leader。

    分布式系统必须知道的一个共识算法:Raft

    领导者故障

    • 第一步 :节点 A 发生故障,节点 B 和节点 C 没有收到领导者节点 A 的心跳信息,等待超时。
    • 第二步:节点 C 先发生超时,节点 C 成为候选人。
    • 第三步:节点 C 向节点 A 和节点 B 发起请求投票信息。
    • 第四步:节点 C 响应投票,将票投给了 C,而节点 A 因为发生故障了,无法响应 C 的投票请求。
    • 第五步:节点 C 收到两票(大多数票数),成为领导者。
    • 第六步:节点 C 向节点 A 和 B 发送心跳信息,节点 B 响应心跳信息,节点 A 不响应心跳信息,因为 A 故障了。

    总结

    Raft 算法通过以下几种方式来进行领导选举,保证了一个任期只有一位领导,极大减少了选举失败的情况。

    • 任期
    • 领导者心跳信息
    • 随机选举超时时间
    • 先来先服务的投票原则
    • 大多数选票原则

    本篇通过动图的方式来讲解 Raft 算法如何选举领导者,更容易理解和消化。

    本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
    作者最新文章
    业界资讯
    相关文章 更多
    “异算方舟”国产计算系统软件生态全栈平台发布
    “异算方舟”国产计算系统软件生态全栈平台发布

    6月29日,中科院计算机网络信息中心等单位发布“异算方舟”国产计算系统软件生态全栈平台。该平台针对算法供给不足、代码迁移困难、智能应用落地慢三大痛点,打造九衍枢算法库、无界BoundX代码转换大模型、Agent-HiReFlow自动化仿真智能体三大能力,提供从底层算法到代码适配再到智能应用的一体化解决方案。

    图解分布式之:最终一致性,一致只会迟到,但绝不缺席
    图解分布式之:最终一致性,一致只会迟到,但绝不缺席

    这篇文章我们继续聊分布式相关的内容。提到分布式系统,就一定绕不开“一致性”,这次我们说说:最终一致性。最终一致性是现在大部分高可用的分布式系统的核心思路。估计有人对最终一致性不太熟,先来个简单介绍:最终一致性指的是系统中的所有分散在不同节点的数据,经过一定时间后,最终能够达到符合业务定义的一致的状态

    DTCC2020|阿里云李飞飞:云原生分布式数据库与数据仓库系统点亮数据上云之路
    DTCC2020|阿里云李飞飞:云原生分布式数据库与数据仓库系统点亮数据上云之路

    云计算时代,云原生分布式数据库和数据仓库开始崛起,提供弹性扩展、高可用、分布式等特性。数据库将面临怎样的变革?云原生数据库与数据仓库有哪些独特优势?在日前的DTCC 2020大会上,阿里巴巴集团副总裁、阿里云数据库产品事业部总裁、ACM杰出科学家李飞飞就《云原生分布式数据库与数据仓库系统点亮数据上云

    可以跑数据库的分布式文件系统FastCFS
    可以跑数据库的分布式文件系统FastCFS

    FastCFS 是一款基于块存储的通用分布式文件系统,可以作为MySQL、PostgresSQL、Oracle等数据库和云平台的后端存储。 FastDFS已经很受欢迎了,为何还要研发FastCFS呢?FastDFS是轻量级的对象存储,只能通过专有API访问,专为互联网应用设计,适合存放图片、视频、文

    分布式链路追踪Jaeger+微服务Pig在Rainbond上的实践分享
    分布式链路追踪Jaeger+微服务Pig在Rainbond上的实践分享

    随着微服务架构的流行,客户端发起的一次请求可能需要涉及到多个或 N 个服务,致使我们对服务之间的监控和排查变得更加复杂。举个例子:某条业务线的某个接口调用服务端时快时慢,这时就需要排查各个服务的日志进行分析,调动各个服务的开发人员联动排查,这种排查费时又费力。对于 ToB 的业务有时候还拿不到日志,

    微服务架构Day21-SpringCloud之分布式配置中心
    微服务架构Day21-SpringCloud之分布式配置中心

    SpringCloud ConfigSpringCloud整合了微服务中的整体解决方案:分布式配置中心,分布式锁,分布式任务调度平台,分布式事务,分布式日志收集产生背景:在微服务场景下,若继续采用传统方式管理配置文件,配置文件管理器将变得极为复杂。而且在生产环境中,一旦配置文件发生改变,就需要重新配

    redis分布式锁,setnx+lua脚本的java实现|京东物流技术团队
    redis分布式锁,setnx+lua脚本的java实现|京东物流技术团队

    1 前言 在现在工作中,为保障服务的高可用,应对单点故障、负载量过大等单机部署带来的问题,生产环境常用多机部署。为解决多机房部署导致的数据不一致问题,我们常会选择用分布式锁。目前其他比较常见的实现方案我列举在下面:基于缓存实现分布式锁(本文主要使用redis实现)基于数据库实现分布式锁基于zooke

    如何排查 Hadoop 分布式文件系统权限问题
    如何排查 Hadoop 分布式文件系统权限问题

    简介 Hadoop作为被广泛运用的大数据框架,依靠Hadoop分布式文件系统(HDFS)来存储和管理海量数据。但有时会出现HDFS权限问题,影响数据的访问和处理。本教程将带你了解识别和解决HDFS权限问题的流程,助你维护一个强健且安全的Hadoop生态系统。 HDFS 权限概述 HDFS(Hadoo

    ionet 25.3 发布,纳秒级延迟的分布式 java netty 轻量级网络通信框架
    ionet 25.3 发布,纳秒级延迟的分布式 java netty 轻量级网络通信框架

    ionet25.3版本发布,基于Aeron构建,实现纳秒级延迟与真零拷贝,无需第三方中间件即可搭建分布式服务器。框架轻量级,15MB启动,支持游戏、物联网、高频交易等场景。采用对外服与逻辑服架构,动态扩缩,类MVC编码,自动生成多前端交互代码。

    熵基科技发布HuggingZKT算法商城
    熵基科技发布HuggingZKT算法商城

    熵基科技发布HuggingZKT算法商城,面向空间智能领域打造端云协同AI算法管理平台,覆盖算法训练、发布、订阅、升级等全生命周期,形成开放高效的算法服务体系,推动园区、楼宇等场景的AI能力敏捷调用,助力空间智能规模化应用迈入新阶段。

    查看更多
    精品专题 更多
    装机必备
    装机必备

    正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

    Windows
    Windows

    正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

    PDF教程
    PDF教程

    正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

    Mac软件 更多
    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    Aperty macOS版
    Aperty macOS版
    macOS

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    WINDOWS 更多
    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版
    Windows/ macOS/ Linux

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    PixTV 网页版
    PixTV 网页版
    Windows

    PixTV 是一款在浏览器中使用的 AI 视觉内容创作平台,提供图片、视频、音频、文字生成、AI 分镜、局部重绘、提示词反推和无限画布等工具,适合短剧、漫剧、广告及社交媒体内容制作。