RocketMQ 多副本前置篇：初探raft协议

Raft协议是分布式领域解决一致性的又一著名协议，主要包含Leader选举、日志复制两个部分。

舒适提示： 本文根据raft官方给出的raft动画进行学习，其动画展现地址：http://thesecretlivesofdata.com/raft/

一、Leader选举

1.1 一轮投票中，只有一个节点发起投票的状况

Raft协议中节点有3种状态（角色）：

• Follower 跟随者。
• Candidate 候选者。
• Leader 领导者(Leader)，一般咱们所说的的主节点。

首先3个节点初始状态为 Follower，每一个节点会有一个超时时间(计时器)，其时间设置为150ms~300ms之间的随机值。当计时器到期后，节点状态从 Follower 变成 Candidate，以下图所示：

一般状况下，三个节点中会有一个节点的计时器率先到期，节点状态变为 Candidate ，候选者状态下的节点会发起选举投票。咱们先来考虑只有一个节点变为Candidate时是如何进行选主的。

当节点状态为Candidate，将发起一轮投票，因为是第一轮投票，设置本轮投票轮次为1，并首先为本身投上一票，正如上图所示的NodeA节点，Team为1，Vote Count为1.

当一个节点的定时器超时后，首先为本身投上一票，而后向该组内其余的节点发起投票(用拉票更加合适)，发送投票请求。

当集群内的节点收到投票请求外，若是本轮未进行过投票，则赞同，不然反对，而后将结果返回，并重置计时器。

当节点A收到的赞同票大于一半时，则升级为该集群的 Leader，而后定时向集群内的其余节点发送心跳，以便肯定本身的领导地位，正以下图所示。

Node A，集群中的 Leader正在向其余节点发送心跳包。

节点在收到 Leader 的心跳包后，返回响应结果，并重置自身的计时器，若是 Flower 状态的节点在计时时间超时内没有收到Leader 的心跳包，就会从 Flower 节点变成 Candidate,该节点就会发起下一轮投票。

例如NodeA节点宕机，中止向它的从发送心跳，咱们来看一下集群如何从新选主。

若是主节点宕机，则中止向集群内的节点发送心跳包。随着计时器的到期，节点B的先于节点C变成 Candidate，则节点B向集群内的其余节点发起投票，以下图所示。

节点B，首先将投票轮次设置为2，而后首先为本身投上一篇，而后向其余节点发起投票请求。

节点C收到请求，因为其投票轮次大于本身的投票轮次，并该轮次并未投票，投出同意票并返回结果，而后重置计时器。节点B将瓜熟蒂落的成为新的Leader并定时发送心跳包。

3个节点的选主就介绍到这里了，也许有网友会说，虽然各个节点的计时器是随机的，但也有可能同一时间，或一个节点在未收到另外一个节点发起的投票请求以前变成 Candidate，即在一轮投票过程当中，有大于1个的节点状态都是 Candidate，那该如何选主呢？

下面以4个节点的集群为例，来阐述上述这种状况状况下，如何进行选主。

1.2 一轮投票中，超过一个节点发起投票的状况

首先同时有两个节点进入Candidate状态，并开始新的一轮投票，当前投票编号为4，首先先为本身投上一票，而后向集群中的其余节点发起投票，以下图所示：

而后各个节点收到投票请求，以下所示，进行投票：

首先节点C、D在收到D、C节点的投票请求时，都会返回不一样意，由于在本轮投票中，已经各自为本身投了一票，按照上图，节点A赞成C节点、节点B赞成D节点，那此时C、D都只获的两票，固然若是A,B都认为C或D成为主节点，则选择就能够结束了，上图显示，C、D都只获的2票，未超过半数，没法成为主节点，那接下来会发生什么呢？请看下图：

此时A,B,C,D的定时器各自在倒计时，当节点成为Candidate时，或自身状态自己是Candidate而且定时器触发后，发起一轮新的投票，图中是节点B、节点D同时发起了新的一轮投票。

投票结果以下：节点A,节点C赞成节点B成为leader，但因为BD都发起了第5轮投票，最终的投票轮次更新为6，如图所示：

关于Raft协议的选主就介绍到这里了，接下来咱们来思考一下，若是本身实现 Raf t协议，至少要考虑哪些问题，为下一篇源码阅读Dleger(RocketMQ多副本)模块提供一些思路。

1.3 思考如何实现Raft选主

1. 节点状态 须要引入3中节点状态：Follower(跟随者)、Candidate(候选者)，投票的触发点，Leader(主节点)。
2. 进入投票状态的计时器 Follower、Candidate 两个状态时，须要维护一个计时器，每次定时时间从150ms-300ms之间进行随机，即每一个节点的每次的计时过时不同，Follower状态时，计时器到点后，触发一轮投票。节点在收到投票请求、Leader 的心跳请求并做出响应后须要重置定时器。
3. 投票轮次Team Candidate 状态的节点，每发起一轮投票，Term 加一；Term的存储。
4. 投票机制 每一轮一个节点只能为一个节点投同意票，例如节点A中维护的轮次为3，而且已经为节点B投了同意票，若是收到其余节点，投票轮次为3，则会投反对票，若是收到轮次为4的节点，是又能够投同意票的。
5. 成为Leader的条件 必须获得集群中节点的大多数，即超过半数，例如若是集群中有3个节点，则必须获得两票，若是其中一台服务器宕机，剩下的两个节点，还能进行选主吗？答案是能够的，由于能够获得2票，超过初始集群中3的一半，因此一般集群中的机器各位尽可能为计数，由于4台的可用性与3台的同样。

舒适提示：上述结论只是个人一些思考，咱们能够带着上述思考，进入到Dleger的学习中，下一篇将从源码分析的角度来学习大神是如何实现Raft协议的Leader选主的，让咱们一块儿期待吧。

二、日志复制

完成集群内的选主工做后，客户端向主节点发送请求，由主节点负责数据的复制，使集群内的数据保持一致性，初始状态以下图所示：

客户端向主节点发起请求，例如set 5，将数据更新为5，以下图所示：

主节点收到客户端请求后，将数据追加到Leader的日志中(但未提交)，而后在下一个心跳包中将日志转发到集群内从节点，以下图所示：

从节点收到Leader的日志后，追加到从节点的日志文件中，并返回确认ACK。Leader收到从节点的确认信息后，向客户端发送确认信息。

上述的日志复制比较简单，是因为只考虑正常的状况，若是中间发生异常，该如何保证数据一致性呢？

1. 若是 Leader 节点向从节点广播日志时，其中某个从节点发送故障宕机，该如何处理呢？
2. 日志在什么环节进行提交呢？Leader节点在收到客户端的数据变动请求后，首先追加到主节点的日志文件中，而后广播到从节点，从节点收到日志信息，是提交日志后返回ACK，仍是何时提交呢？
3. 日志如何保证惟一。
4. 如何处理网络出现分区。

我相信读者朋友确定还有更多的疑问，本文不打算来回答上述疑问，而是带着这些问题进入到RocketMQ多副本的学习中，经过源码分析RocketMQ DLedger的实现后，再来从新总结raft协议。

亲爱的读者们，读到这里了，烦请点个赞，谢谢，下一篇将重点分析RocketMQ Dledger 多副本模块如何实现 raft 协议的选主。

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做者简介：《RocketMQ技术内幕》做者，RocketMQ 社区布道师，维护公众号：中间件兴趣圈，可扫描以下二维码与做者进行互动。