兄弟连Go语言培训区块链共识算法(1)分布式一致性算法Raft

兄弟连Go语言培训培训课程体系设计架构包括了区块链的基础语言Go语言、区块链后端技术体系、区块链公链、区块链分布式应用开发等内容讲解，以及到最后的面试指导和项目实战。课程由清华微软谷歌名师团队精心打造，历时半年时间共同研发而出。 # 分布式一致性算法Raft Paxos自1990年提出以后，相当长时间内几乎已成为分布式一致性算法的代名词。 但因其难以理解和实现，目前知名实现仅有Chubby、Zookeeper、libpaxos几种，其中Zookeeper使用的ZAB对Paxos做了大量改进。 为此，2013年斯坦福的Diego Ongaro、John Ousterhout，提出了新的更易理解和实现的一致性算法，即Raft。 Raft和Paxos均只要保证n/2+1节点正常，即可服务。相比Paxos，其优势即为易于理解和实现。 Raf将算法分解为：选择领导者、日志复制、安全性等几个子问题。 它的流程即为：开始时在集群中选举出Leader负责日志复制的管理，Leader接收来自客户端的事务请求（日志）， 并将它们复制给集群中的其他节点，然后通知集群中的其他节点提交日志，Leader负责保证其他节点与它的日志同步。 当Leader宕机时，集群其他节点重新发起选举，选出的新的Leader。 ### 角色 Raft涉及三种角色： * Leader：即领导者，负责处理来自客户端的请求，管理日志复制、以及与Follower保持心跳以维持其领导者地位。 * Follower：即追随者，负责响应来自Leader的日志复制请求，响应来自Candidate的选举请求。初始时所有节点均为Follower。 * Candidate：即候选者，负责发起选举投票，Raft启动后或Leader宕机后，一个节点从Follower转为Candidate，并发起选举，选举成功后，由Candidate转为Leader。 如下为Raft角色状态转换图： ### Term（任期） 在Raft中使用了Term（任期）的概念，一轮选举即为一个Term（任期），一个Term中仅能产生一个Leader。 Term使用连续递增的编号表示，初始时所有Follower的Term均为1。 其中某个Follower定时器到期触发选举，其状态转换为Candidate，此时Term加1变为2，然后开始选举，有如下几种可能： * 1、如果当前Term为2的任期内没有选举出Leader或出现异常，Term递增为3，并开始新一轮选举。 * 2、此轮Term为2的任期内选举出Leader后，如果Leader宕机，此时其他Follower转为Candidate，Term递增，并发起新的选举。 * 3、如果Leader或Candidate发现自己的Term比其他Follower小时，Leader或Candidate转为Follower，Term递增。 * 4、如果Follower发现自己的Term比其他Follower小时，更新Term与其他Follower保持一致。 每次Term递增都将发生新一轮选举，在Raft正常运行过程中，所有节点Term均一致。 如果节点不发生故障，一个Term（任期）会一直保持下去，当某节点收到的请求中Term比当前Term小时拒绝请求。 ### 选举 初始时所有节点均为Follower，且定时器时间不同。 某个节点定时器触发选举后，Term递增，该节点由Follower转换为Candidate，向其他节点发起投票请求（RequestVote RPC）。 有如下几种可能： * 1、收到过半数节点（n/2+1）投票，由Candidate转换为Leader，向其他节点发送心跳以维持领导者地位。 * 2、如果收到其他节点发送的AppendEntries RPC请求，且该节点Term大于当前节点Term，即发现了新的有效领导者，转换为Follower，否则保持Candidate拒绝该请求。 * 3、选举超时，Term递增，重新发起选举。 每轮Term期间，每个节点均只能投票1次，如果多个Candidate均没有接收到过半数投票，则每个Candidate Term递增，重启定时器并重新发起选举。 因定时器时间随机，因此不会多次出现多个Candidate同时发起投票的问题。 ### 日志复制 保证节点的一致性，就要保证所有节点都按顺序执行相同的操作序列，日志复制目的即为此。 * 1、Leader接收到客户端事务请求（即日志），先将日志追加到本地Log中，并通过AppendEntries RPC复制给其他Follower。 * 2、Follower接收到日志后，追加到本地Log中，并向Leader发送ACK消息。 * 3、Leader收到过半数Follower的ACK消息后，将日志置为已提交并正式提交日志，通知客户端，并发送AppendEntries RPC请求通知Follower提交日志。 ### 安全性 * 1、每个Term期间只能选举一个Leader。 * 2、Leader不会删除或覆盖已有日志条目，只会追加。 * 3、如果相同索引位置的日志条目Term任期号相同，那么认为从头到这个索引位置均相同。 * 4、如果某个日志条目在某任期内提交，那么这个日志条目必然出现在更大的Term任期号的所有领导中。 * 5、如果Leader在某索引位置的日志条目已提交，那么其他节点相同索引位置不会提交不同的日志条目。 ### RequestVote RPC和AppendEntries RPC Raft中节点通信使用两种RPC，即RequestVote RPC和AppendEntries RPC： RequestVote RPC：即请求投票，由Candidate在选举期间发起。 AppendEntries RPC：即附加条目RPC，由Leader发起，用于日志复制和心跳机制。 ### 参考文档 * [寻找一种易于理解的一致性算法（扩展版）](https://github.com/maemual/raft-zh_cn/blob/master/raft-zh_cn.md) * [一致性算法Raft详解](http://www.solinx.co/archives/415?utm_source=tuicool&utm_medium=referral) * [Raft 为什么是更易理解的分布式一致性算法](https://www.cnblogs.com/mindwind/p/5231986.html) ### 后记 本文总结的Raft，及之前文章中的Paxos、2PC、3PC均为基于非拜占庭容错的分布式一致性算法，即除考虑消息的丢失、超时、乱序，但不考虑消息被篡改。 从下个文章起，将总结基于拜占庭容错的分布式一致性算法，该算法在比特币、以太坊、及其他区块链产品中广泛使用。