怎樣用Nacos實現Raft演算法

為了提高理解性，Raft 將一致性演算法分為了幾個部分，包括領導選取(leader selection)、日誌複製(log replication)、安全(safety)，並且使用了更強的一致性來減少了必須需要考慮的狀態。

Raft 適用於一個管理日誌一致性的協議，相比於 Paxos 協議 Raft 更易於理解和去實現它。為了提高理解性，Raft 將一致性演算法分為了幾個部分，包括領導選取(leader selection)、日誌複製(log replication)、安全(safety)，並且使用了更強的一致性來減少了必須需要考慮的狀態。

相比Paxos，Raft演算法理解起來更加直觀。

Raft演算法將Server劃分為3種狀態，或者也可以稱作角色：

Leader：負責Client互動和log複製，同一時刻系統中最多存在1個。

Follower：被動響應請求RPC，從不主動發起請求RPC。

Candidate：一種臨時的角色，只存在於leader的選舉階段，某個節點想要變成leader，那麼就發起投票請求，同時自己變成candidate。如果選舉成功，則變為candidate，否則退回為follower

狀態或者說角色的流轉如下：

在Raft中，問題分解為：領導選取、日誌複製、安全和成員變化。

複製狀態機通過複製日誌來實現：

日誌：每臺機器儲存一份日誌，日誌來自於客戶端的請求，包含一系列的 命令

狀態機：狀態機會按順序執行這些 命令

一致性模型：分散式環境下，保證多機的日誌是一致的，這樣回放到狀態機中的狀態是一致的

Raft中有Term的概念，Term類比中國歷史上的朝代更替，Raft 演算法將時間劃分成為任意不同長度的任期(term)。

follower增加當前的term，轉變為candidate。

candidate投票給自己，併傳送RequestVote RPC給叢集中的其他伺服器。

收到RequestVote的伺服器，在同一term中只會按照先到先得投票給至多一個candidate。且只會投票給log至少和自身一樣新的candidate。

Spring Cloud Alibaba Nacos 在 1.0.0 正式支援 AP 和 CP 兩種一致性協議，其中的CP一致性協議實現，是基於簡化的 Raft 的 CP 一致性。

Nacos server在啟動時，會通過RunningConfig.onApplicationEvent()方法呼叫RaftCore.init()方法。

public static void init() throws Exception { 
  
    Loggers.RAFT.info("initializing Raft sub-system"); 
  
    // 啟動Notifier，輪詢Datums，通知RaftListener 
    executor.submit(notifier); 
      
    // 獲取Raft叢集節點，更新到PeerSet中 
    peers.add(NamingProxy.getServers()); 
  
    long start = System.currentTimeMillis(); 
  
    // 從磁碟載入Datum和term資料進行資料恢復 
    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選舉 
    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方法主要做了如下幾件事：

獲取Raft叢集節點 peers.add(NamingProxy.getServers());
Raft叢集資料恢復 RaftStore.load();
Raft選舉 GlobalExecutor.register(new MasterElection());
Raft心跳 GlobalExecutor.register(new HeartBeat());
Raft釋出內容
Raft保證內容一致性

其中，raft叢集內部節點間是通過暴露的Restful介面，程式碼在 RaftController 中。RaftController控制器是raft叢集內部節點間通訊使用的，具體的資訊如下：

POST HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/vote : 進行投票請求  
POST HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/beat : Leader向Follower傳送心跳資訊  
GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/peer : 獲取該節點的RaftPeer資訊  
PUT HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum/reload : 重新載入某日誌資訊  
POST HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum : Leader接收傳來的資料並存入  
DELETE HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum : Leader接收傳來的資料刪除操作  
GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum : 獲取該節點儲存的資料資訊  
GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/state : 獲取該節點的狀態資訊{UP or DOWN}  
POST HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum/commit : Follower節點接收Leader傳來得到資料存入操作  
DELETE HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum : Follower節點接收Leader傳來的資料刪除操作  
GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/leader : 獲取當前叢集的Leader節點資訊  
GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/listeners : 獲取當前Raft叢集的所有事件監聽者 
RaftPeerSet

Raft中使用心跳機制來觸發leader選舉。心跳定時任務是在GlobalExecutor 中，通過 GlobalExecutor.register(new HeartBeat())註冊心跳定時任務，具體操作包括：

重置Leader節點的heart timeout、election timeout;

sendBeat()傳送心跳包
 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); 
            } 
 
        } 
}

簡單說明了下Nacos中的Raft一致性實現，更詳細的流程，可以下載原始碼，檢視 RaftCore 進行了解。原始碼可以通過以下地址檢出：

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

原文地址： https://www.linuxprobe.com/eureka-ap-nacos.html

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