演示地址：

• https://raft.github.io/
• https://thesecretlivesofdata.com/raft/

Raft 算法的基本概念

Raft 是一种用于实现分布式一致性的共识算法，旨在确保即使在某些节点失败的情况下，系统仍能维持一致性。Raft 的核心目标是简化传统的 Paxos 算法，使得分布式系统中的节点能够就某些数据项达成一致（即选举出一个领导者并保证数据一致性）。

Raft 算法的过程可以分为三个主要部分：

1. 领导者选举（Leader Election）
2. 日志复制（Log Replication）
3. 安全性（Safety）

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1. 领导者选举（Leader Election）

Raft 的第一步是选举一个领导者。在 Raft 中，系统中的节点分为三种状态：领导者（Leader），跟随者（Follower），和候选人（Candidate）。

• 领导者（Leader）：只有一个领导者，负责接受客户端请求，并管理所有日志的复制操作。
• 跟随者（Follower）：负责响应来自领导者的请求，并维护与领导者的日志一致性。
• 候选人（Candidate）：当节点无法与当前领导者通信时，进入候选人状态并开始选举新的领导者。

选举过程：

• 每个节点在启动时都处于跟随者状态。若跟随者在一段时间内没有收到领导者的心跳（heartbeat），它将变成候选人并发起选举。
• 候选人会请求其他节点投票，如果它能获得多数节点的选票，它就成为新的领导者。
• 如果领导者失联，或者网络发生分区，可能会触发新的选举。
• 选举超时：节点会有一个选举超时定时器，当超过超时时间没有收到领导者的心跳信号时，节点会变成候选人并开始发起选举。

选举的过程保证了即使发生节点宕机或网络分区，最终系统会选出一个新的领导者。

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2. 日志复制（Log Replication）

一旦选出了领导者，领导者开始接收客户端的请求，并将操作记录到日志中。领导者会把这些日志条目复制到所有跟随者节点上，以确保所有节点保持一致的状态。

日志复制过程：

• 客户端请求：当客户端发起请求时，只有领导者节点才能处理这些请求。领导者将请求记录为一条日志条目，并将该日志条目复制到所有跟随者节点。
• 日志一致性：领导者向所有跟随者发送日志条目，跟随者节点收到日志后，将其存储，并返回确认消息。
• 日志提交：只有当日志条目被大多数节点（包括领导者和跟随者）确认后，才算提交成功。此时，日志条目对客户端可见，并且所有节点都能保证一致的状态。

日志同步：

• 如果一个跟随者节点的日志落后于领导者，它将从领导者那里获取缺失的日志条目进行同步。这个过程称为日志压缩或日志回放。

通过这种方式，Raft 保证了所有节点在最终会达到相同的日志顺序，从而确保一致性。

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3. 安全性（Safety）

Raft 算法保证了系统在任何情况下都能维持一致性，确保不会发生“分裂脑”（split-brain）的问题。

Raft的安全性保证：

• 领导者日志的一致性：Raft 确保，只有当某个日志条目在大多数节点上都已经提交时，这个日志条目才会被应用到状态机中。因此，不会出现两个不同的领导者同时决定不同的日志条目并使得各节点的状态机不一致。
• 日志匹配：Raft 确保一个被领导者接收并提交的日志条目在所有节点上都有匹配的日志条目。即使领导者发生了更替，新的领导者也会强制所有跟随者接受已经提交的日志。
• 领导者失效的处理：如果领导者失效，Raft 会通过重新选举产生新的领导者，新的领导者会从最新的日志位置开始复制，保证日志的正确性。

Raft 的状态机

Raft 算法并不关心分布式系统中的数据本身，它关注的是如何管理日志条目，使得每个节点的日志序列保持一致。每个日志条目对应一个状态机操作，这些操作可以是更新、插入数据或其他应用程序级别的事务。

Raft 在日志同步、领导者选举和日志提交上保证一致性，确保所有节点的状态机在一致的日志下运行。

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4. 选举超时（Election Timeout）

选举超时是 Raft 算法中的一个关键机制，控制节点何时转变为候选人并发起新的领导者选举。

选举超时的作用：

• 每个节点都有一个选举超时定时器。如果节点在超时时间内没有收到来自领导者的心跳（heartbeat），它会变成候选人并发起选举。

选举超时的工作流程：

1. 跟随者节点：在 Raft 中，节点通常处于 跟随者（Follower） 状态，等待领导者发送心跳。领导者周期性地发送心跳消息来保持自己的领导者身份。如果一个跟随者在一定时间内（选举超时）没有接收到心跳，它就会变成 候选人（Candidate）。

2. 候选人状态：当一个节点变为候选人时，它会：

   • 增加自己的任期号（Term），并开始向集群中的其他节点请求投票，参与选举。
   • 如果候选人获得超过半数节点的投票，它将成为新的领导者，并开始向其他节点发送心跳。

3. 避免选举冲突：为了避免多个候选人在同一时刻触发选举，Raft 会将选举超时设置为一个随机值。这可以减少发生选举冲突的概率。如果两个节点几乎同时变成候选人，它们将分别独立发起选举并进行投票，最后只有一个候选人会成为领导者。

4. 选举超时的动态调整：

   • 如果一个候选人成功获得多数投票，它就会成为领导者。
   • 如果选举失败（比如没有获得足够的选票），候选人会重置自己的选举超时，并再次发起选举。
   • 如果选举超时的设置过短，可能会频繁发生选举，导致系统的不稳定；如果设置过长，可能会导致系统对领导者失效反应过慢。因此，选举超时的调整非常重要。

5. 选举超时与网络分区：

   • 如果网络发生分区，一部分节点可能无法与其他节点通信。这时，选举超时机制能帮助重新选举新的领导者，保证系统的高可用性和容错性。被分区的节点可能会因为无法接收到心跳而发起选举，形成新的领导者。

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总结

Raft 通过以下方式简化了分布式一致性问题：

• 领导者选举：通过选举机制确保系统中始终有一个领导者来处理客户端请求，避免了多个节点竞争的复杂性。
• 日志复制：领导者将客户端请求转化为日志条目并复制到所有跟随者，确保所有节点的日志一致性。
• 安全性：Raft 保证了日志条目的一致性和系统的容错能力，即使节点故障或领导者发生变更，系统仍能保持一致性。
• 选举超时：通过选举超时机制，Raft 保证了在领导者失效或网络分区时，系统能够快速选举出新的领导者，保持系统的高可用性。

Raft 的设计目的就是简化 Paxos 算法的实现，提供了一种更易理解且能高效实现一致性的分布式协议。