从本质上说,Raft 算法是通过一切以领导者为准的方式,实现一系列值的共识和各节点日志的一致
- Leader 选举,Leader 故障后集群能快速选出新 Leader;
- 日志复制, 集群只有 Leader 能写入日志, Leader 负责复制日志到 Follower 节点,并强制 Follower 节点与自己保持相同;
- 安全性,成员变更,一个任期内集群只能产生一个 Leader、已提交的日志条目在发生 Leader 选举时,一定会存在更高任期的新 Leader 日志中、各个节点的状态机应用的任意位置的日志条目内容应一样等。
Leader 选举
raft 算法本质上是一个大的状态机,任何的操作例如选举、提交数据等,最后都被封装成一个消息结构体,输入到 raft 算法库的状态机中。raft 算法其实由好几个协议组成,etcd-raft 将其统一定义在了 Message 结构体之中,以下总结了该结构体的成员用途:
- type Message struct {
- Type MessageType `protobuf:"varint,1,opt,name=type,enum=raftpb.MessageType" json:"type"` // 消息类型
- To uint64 `protobuf:"varint,2,opt,name=to" json:"to"` // 消息接收者的节点ID
- From uint64 `protobuf:"varint,3,opt,name=from" json:"from"` // 消息发送者的节点 ID
- Term uint64 `protobuf:"varint,4,opt,name=term" json:"term"` // 发送消息的节点的Term值。如果Term值为0,则为本地消息,在etcd-raft模块的实现中,对本地消息进行特殊处理。
- LogTerm uint64 `protobuf:"varint,5,opt,name=logTerm" json:"logTerm"` // 该消息携带的第一条Entry记录的Term值,日志所处的任期ID
- Index uint64 `protobuf:"varint,6,opt,name=index" json:"index"` // 日志索引ID,用于节点向 Leader 汇报自己已经commit的日志数据ID
- Entries []Entry `protobuf:"bytes,7,rep,name=entries" json:"entries"` // 如果是MsgApp类型的消息,则该字段中保存了Leader节点复制到Follower节点的Entry记录
- Commit uint64 `protobuf:"varint,8,opt,name=commit" json:"commit"` // 消息发送节点提交日志索引
- Snapshot Snapshot `protobuf:"bytes,9,opt,name=snapshot" json:"snapshot"` // 在传输快照时,该字段保存了快照数据
- Reject bool `protobuf:"varint,10,opt,name=reject" json:"reject"` // 主要用于响应类型的消息,表示是否拒绝收到的消息
- RejectHint uint64 `protobuf:"varint,11,opt,name=rejectHint" json:"rejectHint"` //在Follower节点拒绝Leader节点的消息之后,会在该字段记录一个Entry索引值供Leader节点
- Context []byte `protobuf:"bytes,12,opt,name=context" json:"context,omitempty"` // 消息携带的一些上下文信息。例如,该消息是否与Leader节点转移相关
- XXX_unrecognized []byte `json:"-"`
- }
Message结构体相关的数据类型为 MessageType,MessageType 有 19 种。当然,并不是所有的消息类型都会用到上面定义的Message结构体中的所有字段,因此其中有些字段是Optinal的。
- MsgHup MessageType = 0 //当Follower节点的选举计时器超时,会发送MsgHup消息
- MsgBeat MessageType = 1 //Leader发送心跳,主要作用是探活,Follower接收到MsgBeat会重置选举计时器,防止Follower发起新一轮选举
- MsgProp MessageType = 2 //客户端发往到集群的写请求是通过MsgProp消息表示的
- MsgApp MessageType = 3 //当一个节点通过选举成为Leader时,会发送MsgApp消息
- MsgAppResp MessageType = 4 //MsgApp的响应消息
- MsgVote MessageType = 5 //当PreCandidate状态节点收到半数以上的投票之后,会发起新一轮的选举,即向集群中的其他节点发送MsgVote消息
- MsgVoteResp MessageType = 6 //MsgVote选举消息响应的消息
- MsgSnap MessageType = 7 //Leader向Follower发送快照信息
- MsgHeartbeat MessageType = 8 //Leader发送的心跳消息
- MsgHeartbeatResp MessageType = 9 //Follower处理心跳回复返回的消息类型
- MsgUnreachable MessageType = 10 //Follower消息不可达
- MsgSnapStatus MessageType = 11 //如果Leader发送MsgSnap消息时出现异常,则会调用Raft接口发送MsgUnreachable和MsgSnapStatus消息
- MsgCheckQuorum MessageType = 12 //Leader检测是否保持半数以上的连接
- MsgTransferLeader MessageType = 13 //Leader节点转移时使用,本地消息
- MsgTimeoutNow MessageType = 14 //Leader节点转移超时,会发该类型的消息,使Follower的选举计时器立即过期,并发起新一轮的选举
- MsgReadIndex MessageType = 15 //客户端发往集群的只读消息使用MsgReadIndex消息(只读的两种模式:ReadOnlySafe和ReadOnlyLeaseBased)
- MsgReadIndexResp MessageType = 16 //MsgReadIndex消息的响应消息
- MsgPreVote MessageType = 17 //PreCandidate状态下的节点发送的消息
- MsgPreVoteResp MessageType = 18 //预选节点收到的响应消息
然后是 raft 算法的实现,node 结构体实现了 Node 接口,对etcd-raft模块具体实现的一层封装,方便上层模块使用etcd-raft模块。其定义如下:
- type node struct {
- propc chan msgWithResult //该通道用于接收MsgProp类型的消息
- recvc chan pb.Message //除MsgProp外的其他类型的消息都是由该通道接收的
- confc chan pb.ConfChangeV2 //当节点收到EntryConfChange类型的Entry记录时,会转换成ConfChange,并写入该通道中等待处理。在ConfChange中封装了其唯一 ID、待处理的节点 ID (NodeID 字段)及处理类型(Type 字段,例如,ConfChangeAddNode类型表示添加节点)等信息
- confstatec chan pb.ConfState //在ConfState中封装了当前集群中所有节点的ID,该通道用于向上层模块返回ConfState实例
- readyc chan Ready //Ready结构体的功能在上一小节已经介绍过了,该通道用于向上层模块返回Ready实例,即node.Ready()方法的返回值
- advancec chan struct{} //当上层模块处理完通过上述readyc通道获取到的Ready实例之后,会通过node.Advance()方法向该通道写入信号,从而通知底层raft实例
- tickc chan struct{} //用来接收逻辑时钟发出的信号,之后会根据当前节点的角色推进选举计时器和心跳计时器
- done chan struct{} //当检测到done通道关闭后,在其上阻塞的goroutine会继续执行,并进行相应的关闭操作
- stop chan struct{} //当node.Stop()方法被调用时,会向该通道发送信号,在后续介绍中会提到,有另一个goroutine会尝试读取该通道中的内容,当读取到信息之后,会关闭done通道。
- status chan chan Status //注意该通道的类型,其中传递的元素也是Channel类型,即node.Status()方法的返回值
- rn *RawNode
- }
下面我们来看看 raft StateMachine 的状态机转换,实际上就是 raft 算法中各种角色的转换。每个 raft 节点,可能具有以下三种状态中的一种。
- Candidate:候选人状态,该状态意味着将进行一次新的选举。
- Follower:跟随者状态,该状态意味着选举结束。
- Leader:领导者状态,选举出来的节点,所有数据提交都必须先提交到 Leader 上。
每一个状态都有其对应的状态机,每次收到一条提交的数据时,都会根据其不同的状态将消息输入到不同状态的状态机中。同时,在进行 tick 操作时,每种状态对应的处理函数也是不一样的。因此 raft 结构体中将不同的状态及其不同的处理函数,独立出来几个成员变量:
- state,保存当前节点状态;
- tick 函数,每个状态对应的 tick 函数不同;
- step,状态机函数,同样每个状态对应的状态机也不相同
我们接着看 etcd-raft 状态转换。etcd-raft StateMachine 封装在 raft机构体中,etcd为了不让entry落后的太多的直接进行选举,多了一个其PreCandidate状态,转换如下图:
raft 状态转换的接口都在 raft.go 中,其定义如下:
- //在newRaft()函数中完成初始化之后,会调用 becomeFollower()方法将节点切换成 Follower状态,其中会设置raft实例的多个字段
- func (r *raft) becomeFollower(term uint64, lead uint64) {
- r.step = stepFollower //设置函数处理Follower节点处理消息的行为
- r.reset(term) //在reset()方法中会重置raft实例的多个字段
- r.tick = r.tickElection //将tick字段设置成tickElection函数
- r.lead = lead //设置当前节点的leader节点
- //修改当前节点的角色
- r.state = StateFollower
- }
- //如果当前集群开启了 PreVote 模式,当 Follower 节点的选举计时器超时时,会先调用becomePreCandidate()方法切换到PreCandidate状态,becomePreCandidate()
- func (r *raft) becomePreCandidate() {
- //检查当前节点的状态,禁止leader直接切换到PreCandidate状态
- if r.state == StateLeader {
- panic("invalid transition [leader -> pre-candidate]")
- }
- //设置函数处理Candidate节点处理消息的行为
- r.step = stepCandidate
- r.prs.ResetVotes()
- r.tick = r.tickElection
- r.lead = None
- //修改当前节点的角色
- r.state = StatePreCandidate
- }
- //当节点可以连接到集群中半数以上的节点时,会调用 becomeCandidate()方法切换到Candidate状态,becomeCandidate()
- func (r *raft) becomeCandidate() {
- // TODO(xiangli) remove the panic when the raft implementation is stable
- if r.state == StateLeader {
- panic("invalid transition [leader -> candidate]")
- }
- //在reset()方法中会重置raft实例的多个字段
- r.step = stepCandidate
- r.reset(r.Term + 1) //在reset()方法中会重置raft实例的多个字段
- r.tick = r.tickElection
- r.Vote = r.id //在此次的选举中,Candidate节点会将选票投给自己
- //修改当前节点的角色
- r.state = StateCandidate
- }
- //当 Candidate 节点得到集群中半数以上节点的选票时,会调用 becomeLeader()方法切换成Leader状态,becomeLeader()
- func (r *raft) becomeLeader() {
- //检查当前节点的状态,机制从follower直接切换成leader状态
- if r.state == StateFollower {
- panic("invalid transition [follower -> leader]")
- }
- r.step = stepLeader
- r.reset(r.Term) //在reset()方法中会重置raft实例的多个字段
- r.tick = r.tickHeartbeat
- r.lead = r.id //将leader字段设置成当前节点的id
- r.state = StateLeader //更新当前节点的角色
- //检查未提交的记录中是否存在多条集群配置变更的Entry记录
- r.prs.Progress[r.id].BecomeReplicate()
- r.pendingConfIndex = r.raftLog.lastIndex()
- emptyEnt := pb.Entry{Data: nil}
- //向当前节点的raftLog中追加一条空的Entry记录
- if !r.appendEntry(emptyEnt) {
- }
- r.reduceUncommittedSize([]pb.Entry{emptyEnt})
- }
tick 函数,每个状态对应的 tick 函数不同,下面分析两个tick:
- func (r *raft) tickElection() {
- r.electionElapsed++ //递增electionElapsed计时器
- if r.promotable() && r.pastElectionTimeout() { //检查是否在集群中与检查单签的选举计时器是否超时
- r.electionElapsed = 0
- r.Step(pb.Message{From: r.id, Type: pb.MsgHup}) //发起step处理pb.MsgHup类型消息。
- }
- }
- func (r *raft) tickHeartbeat() {
- r.heartbeatElapsed++ //递增heartbeatElapsed计时器
- r.electionElapsed++ //递增electionElapsed计时器
- if r.electionElapsed >= r.electionTimeout {
- r.electionElapsed = 0 //重置选举计时器,leader节点不会主动发起选举
- if r.checkQuorum { //进行多数检查
- r.Step(pb.Message{From: r.id, Type: pb.MsgCheckQuorum}) //发起大多数检查。
- }
- //选举计时器处于electionElapsed~randomizedElectionTimeout时段之间时,不能进行leader转移
- if r.state == StateLeader && r.leadTransferee != None {
- r.abortLeaderTransfer() //清空raft.leadTransferee字段,放弃转移
- }
- }
- if r.state != StateLeader { //只有laeder能发送tickHeartbeat
- return
- }
- if r.heartbeatElapsed >= r.heartbeatTimeout { //心跳计时器超时
- r.heartbeatElapsed = 0 //重置心跳计时器
- r.Step(pb.Message{From: r.id, Type: pb.MsgBeat}) //发起step处理MsgBeat类型消息
- }
- }
跟随者、预选候选人、候选人、领导者 4 种节点状态都有分别对应的功能函数,当需要查看各节点状态相关的功能实现时(比如,跟随者如何接收和处理日志),都可以将对应的函数作为入口函数,来阅读代码和研究功能实现。
日志复制
这里重点看一下raft.appendEntry()方法,它的主要操作步骤如下:(1)设置待追加的Entry记录的Term值和Index值。
(2)向当前节点的raftLog中追加Entry记录。
(3)更新当前节点对应的Progress实例。
(4)尝试提交Entry记录,即修改raftLog.committed字段的值。
raft.appendEntry()方法的具体实现如下:
- func (r *raft) appendEntry(es ...pb.Entry) (accepted bool) {
- li := r.raftLog.lastIndex()//获取raftLog中最后一条记录的索引值
- for i := range es {//更新待追加记录的Term值和索引值
- es[i].Term = r.Term//Entry记录的Term指定为当前leader节点的任期号
- es[i].Index = li + 1 + uint64(i) //为日志记录指定的Index
- }
- li = r.raftLog.append(es...)//向raft中追加记录
- //更新当前节点对应的Progress,主要是更新Next和Match
- r.prs.Progress[r.id].MaybeUpdate(li)
- //尝试提交Entry记录
- r.maybeCommit()
- return true
- }
在Progress.mayUpdate()方法中,会尝试修改Match字段和Next字段,用来标识对应节点Entry记录复制的情况。Leader节点除了在向自身raftLog中追加记录时(即appendEntry()方法)会调用该方法,当Leader节点收到Follower节点的MsgAppResp消息(即MsgApp消息的响应消息)时,也会调用该方法尝试修改Follower节点对应的Progress实例。Progress.MayUpdate()方法的具体实现如下:
- func (pr *Progress) MaybeUpdate(n uint64) bool {
- var updated bool
- if pr.Match < n {
- pr.Match = n //n之前所有的Entry记录都已经写入对应节点的raftLog中
- updated = true
- //下面将Progress.paused设置为false,表示leader节点可以继续向对应Follower
- //节点发送MsgApp消息
- pr.ProbeAcked()
- }
- pr.Next = max(pr.Next, n+1)//将Next值加一,下一次复制Entry记录开始的位置
- return updated
- }
如果该Entry记录已经复制到了半数以上的节点中,则在raft.maybeCommit()方法中会尝试将其提交。除了 appendEntry()方法,在 Leader 节点每次收到 MsgAppResp 消息时也会调用maybeCommit()方法,maybeCommit()方法的具体实现如下:
- func (r *raft) maybeCommit() bool {
- mci := r.prs.Committed()
- return r.raftLog.maybeCommit(mci, r.Term)
- }
- func (p *ProgressTracker) Committed() uint64 {
- return uint64(p.Voters.CommittedIndex(matchAckIndexer(p.Progress)))
- }
- //将node分两个组,JointConfig是大多数的组,有兴趣的看一看quorum包的实现
- func (c JointConfig) CommittedIndex(l AckedIndexer) Index {//比较大多数的node的前俩个Index,返回Match的值。
- idx0 := c[0].CommittedIndex(l)
- idx1 := c[1].CommittedIndex(l)
- if idx0 < idx1 {
- return idx0
- }
- return idx1
- }
- //更新raftLog.committed字段,完成提交
- func (l *raftLog) maybeCommit(maxIndex, term uint64) bool {
- if maxIndex > l.committed && l.zeroTermOnErrCompacted(l.term(maxIndex)) == term {
- l.commitTo(maxIndex)
- return true
- }
- return false
- }
etcd 将 raft 相关的所有处理都抽象为了 Message,通过 Step 接口处理各类消息的入口,首先根据Term"值"对消息进行分类处理,再根据消息的"类型"进行分类处理:
- func (r *raft) Step(m pb.Message) error {
- switch {//首先根据消息的Term值进行分类处理
- case m.Term == 0://本地消息不做处理。MsgHup,MsgProp和MsgReadIndex是本地消息
- case m.Term > r.Term:
- case m.Term < r.Term://细节部分,可以自己研究源码
- }
- switch m.Type {//根据Message的Type进行分类处理
- case pb.MsgHup://这里针对MsgHup类型的消息进行处理。
- if r.preVote {//检查是不是开启了preVote,如果是开启了先调用raft.hup方法,发起preVote。
- } else {
- r.hup(campaignElection)//下面讲述
- }
- case pb.MsgVote, pb.MsgPreVote: //对MsgVote,MsgPreVote类型的消息进行处理。
- canVote := r.Vote == m.From ||
- (r.Vote == None && r.lead == None) ||
- (m.Type == pb.MsgPreVote && m.Term > r.Term)
- if canVote && r.raftLog.isUpToDate(m.Index, m.LogTerm) {
- r.send(pb.Message{To: m.From, Term: m.Term, Type: voteRespMsgType(m.Type)})
- if m.Type == pb.MsgVote {
- r.electionElapsed = 0
- r.Vote = m.From
- }
- } else {
- r.send(pb.Message{To: m.From, Term: r.Term, Type: voteRespMsgType(m.Type), Reject: true})
- }
- default://对于其他类型的消息处理,对应的node的step函数处理
- err := r.step(r, m)
- if err != nil {
- return err
- }
- }
- return nil
- }
这里主要使用hup函数对Message来做处理,在raft.campaign()方法中,除了完成状态切换,还会向集群中的其他节点发送相应类型的消息,例如,如果当前 Follower 节点要切换成 PreCandidate 状态,则会发送 MsgPreVote 消息:
- func (r *raft) hup(t CampaignType) {
- if r.state == StateLeader {//忽略leader
- return
- }
- //方法会检查prs字段中是否还存在当前节点对应的Progress实例,这是为了监测当前节点是否被从集群中移除了
- if !r.promotable() {
- return
- }
- //获取raftLog中已提交但未应用的Entry记录,异常处理
- ents, err := r.raftLog.slice(r.raftLog.applied+1, r.raftLog.committed+1, noLimit)
- r.campaign(t)
- }
- func (r *raft) campaign(t CampaignType) {
- //该方法的会发送一条包含Term值和类型
- var term uint64
- var voteMsg pb.MessageType
- if t == campaignPreElection {//切换的目标状态是Precandidate
- r.becomePreCandidate()
- voteMsg = pb.MsgPreVote
- //确定要发送的Term值,这里只是增加了消息的Term值,并未增加raft.term字段的值
- term = r.Term + 1
- } else {//切换的目标状态是Candidate
- r.becomeCandidate()
- voteMsg = pb.MsgVote
- //给raft.Term字段的值,并将当前节点的选票投给自身
- term = r.Term
- }
- if _, _, res := r.poll(r.id, voteRespMsgType(voteMsg), true); res == quorum.VoteWon {
- //当得到足够的选票时,则将PreCandidate状态的节点切换成Candidate状态
- //Candidate状态的节点则切换成Leader状态
- if t == campaignPreElection {
- r.campaign(campaignElection)
- } else {
- r.becomeLeader()
- }
- return
- }
- var ids []uint64
- {
- idMap := r.prs.Voters.IDs()
- ids = make([]uint64, 0, len(idMap))
- for id := range idMap {
- ids = append(ids, id)
- }
- sort.Slice(ids, func(i, j int) bool { return ids[i] < ids[j] })
- }
- for _, id := range ids {//状态切换完成之后,当前节点会向集群中所有节点发送指定类型的消息
- if id == r.id { //跳过当前节点自身
- continue
- }
- var ctx []byte
- //在进行Leader节点转移时,MsgPreVote或MsgVote消息会在Context字段中设置该特殊值
- if t == campaignTransfer {
- ctx = []byte(t)
- }
- //发送指定类型的消息,其中Index和LogTerm分别是当前节点的raftLog
- //最后一条消息的Index值和Term值
- r.send(pb.Message{Term: term, To: id, Type: voteMsg, Index: r.raftLog.lastIndex(), LogTerm: r.raftLog.lastTerm(), Context: ctx})
- }
- }
Follower 节点在选举计时器超时的行为:首先它会通过 tickElection()创建MsgHup消息并将其交给raft.Step()方法进行处理;raft.Step()方法会将当前Follower节点切换成PreCandidate状态,然后创建MsgPreVote类型的消息,最后将该消息追加到raft.msgs字段中,等待上层模块将其发送出去。
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