如何用Nacos实现Raft算法

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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：

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)。

选举流程

follower增加当前的term，转变为candidate。

candidate投票给自己，并发送RequestVote RPC给集群中的其他服务器。

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。

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

public static void init() throws Exception {       Loggers.RAFT.info("initializing Raft sub-system");       // 启动Notifier，轮询Datums，通知RaftListener     executor.submit(notifier);           // 获取Raft集群节点，更新到PeerSet中     peers.add(NamingProxy.getServers());       long start = System.currentTimeMillis();       // 从磁盘加载Datum和term数据进行数据恢复     RaftStore.load();       Loggers.RAFT.info("cache loaded, peer count: {}, datum count: {}, current term: {}",         peers.size(), datums.size(), peers.getTerm());       while (true) {         if (notifier.tasks.size() <= 0) {             break;         }         Thread.sleep(1000L);         System.out.println(notifier.tasks.size());     }       Loggers.RAFT.info("finish to load data from disk, cost: {} ms.", (System.currentTimeMillis() - start));       GlobalExecutor.register(new MasterElection()); // Leader选举     GlobalExecutor.register1(new HeartBeat()); // Raft心跳     GlobalExecutor.register(new AddressServerUpdater(), GlobalExecutor.ADDRESS_SERVER_UPDATE_INTERVAL_MS);       if (peers.size() > 0) {         if (lock.tryLock(INIT_LOCK_TIME_SECONDS, TimeUnit.SECONDS)) {             initialized = true;             lock.unlock();         }     } else {         throw new Exception("peers is empty.");     }       Loggers.RAFT.info("timer started: leader timeout ms: {}, heart-beat timeout ms: {}",         GlobalExecutor.LEADER_TIMEOUT_MS, GlobalExecutor.HEARTBEAT_INTERVAL_MS); }

在init方法主要做了如下几件事：

获取Raft集群节点 peers.add(NamingProxy.getServers());Raft集群数据恢复 RaftStore.load();Raft选举 GlobalExecutor.register(new MasterElection());Raft心跳 GlobalExecutor.register(new HeartBeat());Raft发布内容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：

POST HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/vote : 进行投票请求  POST HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/beat : Leader向Follower发送心跳信息  GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/peer : 获取该节点的RaftPeer信息  PUT HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum/reload : 重新加载某日志信息  POST HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum : Leader接收传来的数据并存入  DELETE HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum : Leader接收传来的数据删除操作  GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum : 获取该节点存储的数据信息  GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/state : 获取该节点的状态信息{UP or DOWN}  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  DELETE HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum : Follower节点接收Leader传来的数据删除操作  GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/leader : 获取当前集群的Leader节点信息  GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/listeners : 获取当前Raft集群的所有事件监听者 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 public class HeartBeat implements Runnable {         @Override         public void run() {             try {                  if (!peers.isReady()) {                     return;                 }                  RaftPeer local = peers.local();                 local.heartbeatDueMs -= GlobalExecutor.TICK_PERIOD_MS;                 if (local.heartbeatDueMs > 0) {                     return;                 }                  local.resetHeartbeatDue();                  sendBeat();             } catch (Exception e) {                 Loggers.RAFT.warn("[RAFT] error while sending beat {}", e);             }          } }

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：

git clone https://github.com/alibaba/nacos.git

到此，关于"如何用Nacos实现Raft算法"的学习就结束了，希望能够解决大家的疑惑。理论与实践的搭配能更好的帮助大家学习，快去试试吧！若想继续学习更多相关知识，请继续关注网站，小编会继续努力为大家带来更多实用的文章！