1 简介

Raft 协议的设计为分布式系统设计的共识算法，旨在保证多个节点在面对故障和网络分区的情况下，依然能够达成一致。它的核心目标是实现 强一致性，即所有节点在任何时间点都能够对数据做出一致的决策。

Raft 协议使用一种共识算法，旨在易于理解。它 在容错和性能上相当于 Paxos。不同的是 它被分解成相对独立的子问题，并且干净利落 解决了实际系统所需的所有主要部分。

• 什么是共识？

共识是容错分布式系统中的一个基本问题。 共识涉及多个服务器就价值观达成一致。一旦他们达到 对值的决定，该决定是最终的。典型的共识算法当他们的大多数服务器可用时的进度;

例如，一个 即使 2 台服务器发生故障，5 台服务器中的其他3台集群也可以继续运行。 如果更多服务器发生故障，它们将停止服务（但永远不会返回 结果不正确）。

共识通常在复制状态机的上下文中产生，即 构建容错系统的一般方法。每个服务器都有一个状态 机器。

状态机是我们要制作的组件容错，例如哈希表。在客户看来，他们是 与单个可靠的状态机交互，即使少数 集群中的服务器出现故障。每个状态机仍然可以使用 它的日志，在我们的哈希表示例中，日志将包括诸如 set x 到 3。

共识算法用于就 服务器的日志。共识算法必须确保如果任何状态机 将 set x 应用于 3 作为 nth命令，没有其他 状态机将应用不同的 nth命令。作为 结果，每个状态机都会处理相同的命令系列，因此 产生相同的结果并到达相同的系统响应和状态。

2 主要组件

Raft 协议的设计理念是让分布式系统中的一致性易于理解，并尽可能减少复杂度。Raft 提供了一些强大的特性，包括 领导选举、日志复制、安全性等，使得它适合用于实现类似 etcd、Consul 和 Kubernetes 这样的高可用分布式系统。

Raft 协议的主要组件

• 领导选举（Leader Election）：

在 Raft 中，每个节点可以是 领导者（Leader）、跟随者（Follower） 或 候选者（Candidate）。领导者负责处理所有的客户端请求，并将请求日志复制到跟随者。如果领导者失败，Raft 会启动领导选举，选举出新的领导者。

• 日志复制（Log Replication）：

所有的更改（比如数据的写入操作）都会被记录在日志中。领导者接收到客户端请求后，会将这些请求作为日志条目写入自己的日志，并将日志复制到所有跟随者。当大多数节点都确认日志条目时，领导者才会提交该条目，从而确保数据的一致性。

• 安全性：

Raft 协议保证，如果一个节点已经成为某个日志条目的领导者，那么这个日志条目在领导者失败之前不会丢失。此外，Raft 确保如果某个日志条目在大多数节点中已被提交，那么它最终会被所有节点一致地保存。

• 日志条目和提交：

Raft 中的日志条目是不可修改的，并且通过递增的索引来标识。领导者将新的日志条目追加到自己的日志中，并通过心跳机制持续地将日志同步到所有跟随者。只有当大多数节点提交了某个日志条目时，它才会被视为提交。

• 心跳机制：

领导者定期发送心跳信号给跟随者，用来维持领导者身份和防止选举发生。如果跟随者长时间没有接收到心跳信号，它将开始发起选举过程。

3 Raft 选举步骤

初始化：每个 Raft 节点从启动开始都默认是一个 跟随者（Follower）。

领导选举：当节点长时间没有收到领导者的心跳信号时，会变成候选者（Candidate），然后发起选举请求。其他节点投票给其认为合适的候选者。当一个节点获得超过半数节点的选票时，它成为 领导者（Leader）。

日志复制：领导者负责将所有客户端请求转换为日志条目，并将这些日志条目复制到其他节点的日志中。日志条目会根据一致性规则进行提交。

日志提交：当一个日志条目被复制到大多数节点后，领导者会将该条目提交，其他节点随后会同步该提交状态。

日志修复：Raft 会确保所有节点的日志最终会达到一致，领导者会通过比对日志条目和索引，确保所有节点都拥有一致的日志副本。

4 小结

• Raft 协议的优点

易于理解：相比于 Paxos，Raft 的设计更加直观和易于理解，因此它成为了许多分布式系统的选择。

高可用性和一致性：Raft 保证了分布式系统中的一致性，同时在故障发生时也能确保系统的高可用性。

强大的社区支持：Raft 协议在社区中有广泛的应用和支持，许多知名的项目如 etcd、Consul、Kubernetes 都采用了 Raft 协议来实现集群的共识。

官方链接与资料

Raft 协议的原始论文：

    Raft: A Consensus Algorithm for Managing a Distributed Log

Raft 协议的官方网站：

    Raft Protocol Official Page

Raft 协议的 GitHub 仓库：

    Raft GitHub Repository

这些资源提供了 Raft 协议的详细描述、实现示例以及与其他协议的比较。如果需要更深入的理解，建议阅读 Raft 协议的官方文档和相关论文。