Hajusarhitektuuride konsensuse valdamine: Põhjalik ülevaade Rafti algoritmi implementatsioonist globaalsetes süsteemides

Meie üha enam omavahel ühendatud maailmas on hajutatud süsteemid peaaegu iga digitaalse teenuse selgroog, alates e-kaubanduse platvormidest ja finantsasutustest kuni pilvandmetöötluse infrastruktuuri ja reaalajas suhtlusvahenditeni. Need süsteemid pakuvad võrreldamatut skaleeritavust, kättesaadavust ja vastupidavust, jaotades töökoormuse ja andmed mitme masina vahel. Kuid selle võimsusega kaasneb märkimisväärne väljakutse: tagada, et kõik komponendid nõustuvad süsteemi olekuga, isegi võrguviivituste, sõlmede rikete ja samaaegsete toimingute korral. Seda põhiprobleemi tuntakse kui hajutatud konsensus.

Konsensuse saavutamine asünkroonses, riketeohtlikus hajutatud keskkonnas on tuntud oma keerukuse poolest. Aastakümneid oli Paxos selle väljakutse lahendamisel domineeriv algoritm, mida austati selle teoreetilise usaldusväärsuse eest, kuid kritiseeriti sageli selle keerukuse ja raske implementatsiooni pärast. Seejärel saabus Raft – algoritm, mis oli loodud peamise eesmärgiga: arusaadavus. Raft püüab olla veataluvuse ja jõudluse osas Paxosega samaväärne, kuid on struktureeritud viisil, mis on arendajatele palju lihtsamini mõistetav ja millele tugineda.

See põhjalik juhend süveneb Rafti algoritmi, uurides selle aluspõhimõtteid, töövõrke, praktilisi implementatsioonikaalutlusi ja selle elutähtsat rolli vastupidavate, globaalselt hajutatud rakenduste loomisel. Olenemata sellest, kas olete kogenud arhitekt, hajutatud süsteemide insener või arendaja, kes soovib luua kõrge kättesaadavusega teenuseid, on Rafti mõistmine oluline samm kaasaegse andmetöötluse keerukuste valdamisel.

Hajutatud konsensuse asendamatu vajadus kaasaegsetes arhitektuurides

Kujutage ette globaalset e-kaubanduse platvormi, mis töötleb miljoneid tehinguid sekundis. Kliendiandmed, laoseisud, tellimuse staatused – kõik peavad jääma järjepidevaks üle mitmete kontinente hõlmavate andmekeskuste. Pangasüsteemi pearaamat, mis on jaotatud mitme serveri vahel, ei saa endale lubada isegi hetkelist erimeelsust kontojäägi osas. Need stsenaariumid rõhutavad hajutatud konsensuse kriitilist tähtsust.

Hajutatud süsteemide olemuslikud väljakutsed

Hajutatud süsteemid toovad oma olemuse tõttu kaasa hulgaliselt väljakutseid, mis monoliitsetes rakendustes puuduvad. Nende väljakutsete mõistmine on ülioluline, et hinnata algoritmide nagu Raft elegantsust ja vajalikkust:

• Osalised rikked: Erinevalt ühest serverist, mis kas töötab või ebaõnnestub täielikult, võivad hajutatud süsteemis mõned sõlmed ebaõnnestuda, samal ajal kui teised jätkavad tööd. Server võib kokku kukkuda, selle võrguühendus katkeda või selle ketas rikneda, samal ajal kui ülejäänud klaster jääb funktsionaalseks. Süsteem peab vaatamata nendele osalistele riketele korrektselt töötama.
• Võrgujaotused: Sõlmi ühendav võrk ei ole alati usaldusväärne. Võrgujaotus tekib siis, kui sõlmede alamhulkade vaheline side katkeb, jättes mulje, et teatud sõlmed on ebaõnnestunud, isegi kui need veel töötavad. Nende "jagatud aju" stsenaariumide lahendamine, kus süsteemi eri osad töötavad iseseisvalt vananenud või ebaühtlase teabe põhjal, on konsensuse põhiprobleem.
• Asünkroonne side: Sõlmede vahelised sõnumid võivad viibida, olla ümberjärjestatud või täielikult kaduda. Puudub globaalne kell või garantii sõnumite kohaletoimetamise aegade kohta, mis muudab sündmuste järjepideva järjekorra või lõpliku süsteemi oleku loomise keeruliseks.
• Konkurents: Mitu sõlme võivad püüda samaaegselt uuendada sama andmehulka või algatada toiminguid samaaegselt. Ilma nende toimingute koordineerimise mehhanismita on konfliktid ja ebakõlad vältimatud.
• Ettearvamatu latentsus: Eriti globaalselt hajutatud süsteemides võib võrgu latentsus oluliselt varieeruda. Ühes piirkonnas kiired toimingud võivad teises olla aeglased, mõjutades otsustusprotsesse ja koordineerimist.

Miks konsensus on usaldusväärsuse nurgakivi

Konsensuse algoritmid pakuvad nende väljakutsete lahendamiseks põhilist ehitusplokki. Need võimaldavad ebausaldusväärsete komponentide kogumil ühiselt toimida ühtse, väga usaldusväärse ja sidusa üksusena. Täpsemalt aitab konsensus saavutada:

• Olekumasina replikatsioon (SMR): Paljude veataluvate hajutatud süsteemide põhiidee. Kui kõik sõlmed on toimingute järjekorra osas ühel meelel ja kui iga sõlm algab samast algolekust ning täidab neid toiminguid samas järjekorras, siis jõuavad kõik sõlmed samasse lõppolekusse. Konsensus on mehhanism selle globaalse toimingute järjekorra osas kokkuleppele jõudmiseks.
• Kõrge kättesaadavus: Võimaldades süsteemil jätkata tööd isegi siis, kui vähemus sõlmedest ebaõnnestub, tagab konsensus, et teenused jäävad kättesaadavaks ja funktsionaalseks, minimeerides seisakuid.
• Andmete järjepidevus: See tagab, et kõik andmete koopiad jäävad sünkroniseerituks, vältides vastuolulisi uuendusi ja tagades, et kliendid loevad alati kõige ajakohasemat ja õigemat teavet.
• Veataluvus: Süsteem talub teatud arvu suvalisi sõlmede rikkeid (tavaliselt krahhrikkeid) ja jätkab tööd ilma inimsekkumiseta.

Tutvustame Rafti: arusaadav lähenemine konsensusele

Raft tekkis akadeemilisest maailmast selge eesmärgiga: muuta hajutatud konsensus kättesaadavaks. Selle autorid, Diego Ongaro ja John Ousterhout, kujundasid Rafti selgesõnaliselt arusaadavuse silmas pidades, eesmärgiga võimaldada konsensuse algoritmide laiemat kasutuselevõttu ja korrektset implementatsiooni.

Rafti disaini põhifilosoofia: arusaadavus ennekõike

Raft jagab konsensuse keerulise probleemi mitmeks suhteliselt sõltumatuks alamprobleemiks, millest igaühel on oma spetsiifilised reeglid ja käitumised. See modulaarsus aitab oluliselt kaasa mõistmisele. Peamised disainiprintsiibid hõlmavad:

• Juhikeskne lähenemine: Erinevalt mõnedest teistest konsensuse algoritmidest, kus kõik sõlmed osalevad otsustamises võrdselt, määrab Raft ühe juhi. Juht vastutab replikeeritud logi haldamise ja kõigi kliendipäringute koordineerimise eest. See lihtsustab logi haldamist ja vähendab sõlmede vaheliste interaktsioonide keerukust.
• Tugev juht: Juht on ülim autoriteet uute logikirjete pakkumisel ja nende kinnitamise aja määramisel. Järgijad replikeerivad passiivselt juhi logi ja vastavad juhi päringutele.
• Deterministlikud valimised: Raft kasutab juhuslikustatud valimiste ajapikendust tagamaks, et antud valimiste perioodil ilmub juhina tavaliselt vaid üks kandidaat.
• Logi järjepidevus: Raft jõustab oma replikeeritud logi suhtes tugevaid järjepidevuse omadusi, tagades, et kinnitatud kirjeid ei tühistata kunagi ja et kõik kinnitatud kirjed ilmuvad lõpuks kõikides saadaolevates sõlmedes.

Lühike võrdlus Paxosega

Enne Rafti oli Paxos hajutatud konsensuse tegelik standard. Kuigi võimas, on Paxos kurikuulsalt keeruline õigesti mõista ja implementeerida. Selle disain, mis eraldab rollid (ettepaneku tegija, aktsepteerija, õppija) ja lubab mitmel juhil samaaegselt eksisteerida (kuigi väärtuse saab kinnitada ainult üks), võib viia keerukate interaktsioonide ja erijuhtudeni.

Raft seevastu lihtsustab olekuruumi. See rakendab tugevat juhimudelit, kus juht vastutab kõigi logimuutuste eest. See määratleb selgelt rollid (juht, jälgija, kandidaat) ja nendevahelised üleminekud. See struktuur muudab Rafti käitumise intuitiivsemaks ja sellest on lihtsam aru saada, mis viib vähemate implementatsioonivigade ja kiiremate arendustsükliteni. Paljud reaalse maailma süsteemid, mis algselt Paxosega hädas olid, on leidnud edu Rafti kasutuselevõtul.

Kolm põhilist rolli Raftis

Igal ajahetkel on iga Rafti klastri server ühes kolmest olekust: juht, jälgija või kandidaat. Need rollid on eksklusiivsed ja dünaamilised, kus serverid liiguvad nende vahel vastavalt kindlatele reeglitele ja sündmustele.

1. Jälgija

• Passiivne roll: Jälgijad on Raftis kõige passiivsem olek. Nad lihtsalt vastavad juhtide ja kandidaatide päringutele.
• Südamelöökide vastuvõtmine: Jälgija eeldab, et saab juhilt regulaarsete ajavahemike tagant südamelööke (tühjad AppendEntries RPC-d). Kui jälgija ei saa südamelööki ega AppendEntries RPC-d kindla election timeout perioodi jooksul, eeldab ta, et juht on ebaõnnestunud ja läheb kandidaadi olekusse.
• Hääletamine: Valimiste ajal hääletab jälgija antud perioodil maksimaalselt ühe kandidaadi poolt.
• Logi replikatsioon: Jälgijad lisavad logikirjeid oma kohalikku logisse vastavalt juhi juhistele.

2. Kandidaat

• Valimiste algatamine: Kui jälgija aegub (ei kuule juhilt), läheb ta kandidaadi olekusse, et algatada uued valimised.
• Enesehääletus: Kandidaat suurendab oma current term-i, hääletab iseenda poolt ja saadab RequestVote RPC-d kõigile teistele klastri serveritele.
• Valimiste võitmine: Kui kandidaat saab samas ajaperioodis enamuse klastri serverite hääli, läheb ta juhi olekusse.
• Tagasiastumine: Kui kandidaat avastab teise serveri kõrgema ajaperioodiga või saab legitiimselt juhilt AppendEntries RPC, naaseb ta jälgija olekusse.

3. Juht

• Ainuõigus: Rafti klastris on antud ajahetkel (antud ajaperioodil) ainult üks juht. Juht vastutab kõigi kliendi interaktsioonide, logi replikatsiooni ja järjepidevuse tagamise eest.
• Südamelöökide saatmine: Juht saadab perioodiliselt AppendEntries RPC-d (südamelöögid) kõikidele jälgijatele, et säilitada oma autoriteet ja vältida uusi valimisi.
• Logi haldamine: Juht aktsepteerib kliendipäringuid, lisab uusi logikirjeid oma kohalikku logisse ja seejärel replikeerib need kirjed kõigile jälgijatele.
• Kinnitamine: Juht otsustab, millal kirje on turvaliselt replikeeritud enamikule serveritele ja saab selle olekumasinasse kinnitada.
• Tagasiastumine: Kui juht avastab serveri kõrgema term-iga, astub ta kohe tagasi ja naaseb jälgija olekusse. See tagab, et süsteem teeb alati edusamme kõrgeima teadaoleva ajaperioodiga.

Rafti tööetapid: üksikasjalik ülevaade

Raft töötab läbi pideva juhi valimise ja logi replikatsiooni tsükli. Need kaks peamist mehhanismi koos kriitiliste ohutusomadustega tagavad klastri järjepidevuse ja veataluvuse.

1. Juhi valimine

Juhi valimise protsess on Rafti toimimiseks ülioluline, tagades, et klaster omab alati ühte, autoriteetset sõlme toimingute koordineerimiseks.

• Valimiste ajapikendus: Iga jälgija säilitab juhuslikustatud election timeout-i (tavaliselt 150-300 ms). Kui jälgija ei saa selle ajapikenduse jooksul praeguselt juhilt mingit suhtlust (südamelöök või AppendEntries RPC), eeldab ta, et juht on ebaõnnestunud või on toimunud võrgujaotus.
• Üleminek kandidaadiks: Ajapikenduse möödumisel läheb jälgija Candidate olekusse. Ta suurendab oma current term-i, hääletab iseenda poolt ja lähtestab oma valimiste taimeri.
• RequestVote RPC: Kandidaat saadab seejärel RequestVote RPC-d kõigile teistele klastri serveritele. See RPC sisaldab kandidaadi current term-i, tema candidateId-d ning teavet tema last log index-i ja last log term-i kohta (lähemalt selle kohta, miks see ohutuse seisukohalt oluline on, hiljem).
• Hääletamise reeglid: Server annab oma hääle kandidaadile, kui:
  1. Selle current term on väiksem või võrdne kandidaadi ajaperioodiga.
  2. See pole veel hääletanud teise kandidaadi poolt käesoleval ajaperioodil.
  3. Kandidaadi logi on vähemalt sama ajakohane kui serveri enda oma. See määratakse võrreldes esmalt last log term-i, seejärel last log index-it, kui ajaperioodid on samad. Kandidaat on "ajakohane", kui selle logi sisaldab kõiki kinnitatud kirjeid, mis hääletaja logi sisaldab. Seda tuntakse kui valimiste piirangut ja see on ohutuse seisukohalt kriitiline.
• Valimiste võitmine: Kandidaat saab uueks juhiks, kui ta saab samas ajaperioodis enamuse klastri serverite hääli. Pärast valimist saadab uus juht koheselt AppendEntries RPC-d (südamelöögid) kõigile teistele serveritele, et kehtestada oma autoriteet ja vältida uusi valimisi.
• Jagatud hääled ja uuesti proovimine: On võimalik, et mitu kandidaati ilmub samaaegselt, mis viib jagatud hääletuseni, kus ükski kandidaat ei saa enamust. Selle lahendamiseks on igal kandidaadil juhuslik valimiste ajapikendus. Kui kandidaadi ajapikendus aegub ilma valimisi võitmata või uue juhi kohta teavet saamata, suurendab ta oma ajaperioodi ja alustab uut valimist. Juhuslikkus aitab tagada, et jagatud hääled on haruldased ja kiiresti lahendatud.
• Kõrgemate ajaperioodide avastamine: Kui kandidaat (või mis tahes server) saab RPC-i kõrgema term-iga kui tema enda current term, uuendab ta koheselt oma current term-i kõrgemale väärtusele ja naaseb follower olekusse. See tagab, et vananenud teabega server ei püüa kunagi saada juhiks ega häirida legitiimset juhti.

2. Logi replikatsioon

Kui juht on valitud, on tema peamine ülesanne hallata replikeeritud logi ja tagada järjepidevus kogu klastris. See hõlmab klientide käskude vastuvõtmist, nende lisamist oma logisse ja nende replikeerimist jälgijatele.

• Kliendipäringud: Kõik kliendipäringud (käsklused, mida olekumasin peab täitma) suunatakse juhile. Kui klient võtab ühendust jälgijaga, suunab jälgija päringu edasi praegusele juhile.
• Lisamine juhi logisse: Kui juht saab kliendi käskluse, lisab ta käskluse uue log entry-na oma kohalikku logisse. Iga logikirje sisaldab käsku ennast, term-i, millal see saadi, ja selle log index-it.
• AppendEntries RPC: Juht saadab seejärel AppendEntries RPC-d kõigile jälgijatele, paludes neil lisada uus logikirje (või partii kirjeid) oma logidesse. Need RPC-d sisaldavad:
  • term: Juhi praegune ajaperiood.
  • leaderId: Juhi ID (jälgijatele klientide ümbersuunamiseks).
  • prevLogIndex: Uute kirjete vahetult eelneva logikirje indeks.
  • prevLogTerm: prevLogIndex kirje ajaperiood. Need kaks (prevLogIndex, prevLogTerm) on logi sobitamise omaduse jaoks üliolulised.
  • entries[]: Salvestatavad logikirjed (tühjad südamelöökide jaoks).
  • leaderCommit: Juhi commitIndex (kõrgeima teadaolevalt kinnitatud logikirje indeks).
• Järjepidevuse kontroll (logi sobitamise omadus): Kui jälgija saab AppendEntries RPC, teostab ta järjepidevuse kontrolli. Ta kontrollib, kas tema logi sisaldab kirjet aadressil prevLogIndex, mille ajaperiood vastab prevLogTerm-ile. Kui see kontroll ebaõnnestub, lükkab jälgija AppendEntries RPC tagasi, teavitades juhti, et tema logi on ebaühtlane.
• Ebakõlade lahendamine: Kui jälgija lükkab AppendEntries RPC tagasi, vähendab juht selle jälgija nextIndex-it ja proovib AppendEntries RPC-d uuesti. nextIndex on järgmise logikirje indeks, mille juht konkreetsele jälgijale saadab. See protsess jätkub seni, kuni nextIndex jõuab punkti, kus juhi ja jälgija logid ühtivad. Kui vaste on leitud, saab jälgija seejärel vastu võtta järgmisi logikirjeid, viies oma logi lõpuks juhi logiga vastavusse.
• Kirjete kinnitamine: Kirjet peetakse kinnitatuks, kui juht on selle edukalt replikeerinud enamikule serveritele (kaasa arvatud iseendale). Pärast kinnitamist saab kirje rakendada kohalikule olekumasinale. Juht uuendab oma commitIndex-it ja lisab selle järgnevatesse AppendEntries RPC-desse, et teavitada jälgijaid kinnitatud kirjetest. Jälgijad uuendavad oma commitIndex-it juhi leaderCommit-i põhjal ja rakendavad kirjeid kuni selle indeksini oma olekumasinale.
• Juhi täielikkuse omadus: Raft garanteerib, et kui logikirje on teatud ajaperioodis kinnitatud, siis peavad kõik järgnevad juhid omama ka seda logikirjet. Seda omadust jõustab valimiste piirang: kandidaat saab valimised võita ainult siis, kui tema logi on vähemalt sama ajakohane kui enamuse teiste serverite oma. See takistab juhi valimist, kes võiks kinnitatud kirjeid üle kirjutada või neist mööda minna.

3. Ohutusomadused ja garantiid

Rafti robustsus tuleneb mitmest hoolikalt disainitud ohutusomadusest, mis takistavad ebakõlasid ja tagavad andmete terviklikkuse:

• Valimiste ohutus: Antud ajaperioodis saab valida maksimaalselt ühe juhi. Seda jõustab hääletusmehhanism, kus jälgija annab ajaperioodi kohta maksimaalselt ühe hääle ja kandidaat vajab enamuse hääli.
• Juhi täielikkus: Kui logikirje on antud ajaperioodis kinnitatud, siis see kirje on olemas kõigi järgnevate juhtide logides. See on kriitilise tähtsusega kinnitatud andmete kadumise vältimisel ja seda tagab eelkõige valimiste piirang.
• Logi sobitamise omadus: Kui kaks logi sisaldavad kirjet sama indeksi ja ajaperioodiga, siis logid on identsed kõikides eelnevates kirjetes. See lihtsustab logi järjepidevuse kontrolle ja võimaldab juhil jälgijate logisid tõhusalt ajakohastada.
• Kinnitamise ohutus: Kui kirje on kinnitatud, siis seda ei tühistata ega kirjutata üle. See on otsene tagajärg Juhi Täielikkuse ja Logi Sobitamise omadustele. Kui kirje on kinnitatud, loetakse seda püsivalt salvestatuks.

Rafti põhimõisted ja mehhanismid

Lisaks rollidele ja tööetappidele tugineb Raft oleku haldamisel ja korrektsuse tagamisel mitmele põhimõistele.

1. Ajaperioodid

Term Raftis on pidevalt kasvav täisarv. See toimib klastri loogilise kellana. Iga ajaperiood algab valimisega ja kui valimised on edukad, valitakse selleks ajaperioodiks üks juht. Ajaperioodid on kriitilise tähtsusega vananenud teabe tuvastamiseks ja tagamiseks, et serverid lähtuvad alati kõige ajakohasemast teabest:

• Serverid vahetavad oma current term-i kõigis RPC-des.
• Kui server avastab teise serveri kõrgema term-iga, uuendab ta oma current term-i ja naaseb follower olekusse.
• Kui kandidaat või juht avastab, et tema term on vananenud (madalam kui teise serveri term), astub ta kohe tagasi.

2. Logikirjed

Logi on Rafti keskne komponent. See on järjestatud kirjete jada, kus iga log entry esindab käsku, mida olekumasin peab täitma. Iga kirje sisaldab:

• Käsk: Tegelik sooritatav toiming (nt "set x=5", "create user").
• Ajaperiood: Ajaperiood, millal kirje juhil loodi.
• Indeks: Kirje asukoht logis. Logikirjed on rangelt indeksi järgi järjestatud.

Logi on püsiv, mis tähendab, et kirjed kirjutatakse stabiilsesse salvestusse enne klientidele vastamist, kaitstes andmekao eest krahhide korral.

3. Olekumasin

Iga Rafti klastri server haldab state machine-t. See on rakenduspõhine komponent, mis töötleb kinnitatud logikirjeid. Järjepidevuse tagamiseks peab olekumasin olema deterministlik (sama algoleku ja käskude jada korral annab see alati sama väljundi ja lõppoleku) ja idempotentne (sama käsu mitmekordne rakendamine annab sama efekti kui selle ühekordne rakendamine, mis aitab taastada sujuvalt uuesti proovimisi, kuigi Rafti logi kinnitamine tagab suuresti ühekordse rakenduse).

4. Kinnitamise indeks

CommitIndex on kõrgeim teadaolevalt kinnitatud logikirje indeks. See tähendab, et see on turvaliselt replikeeritud enamikule serveritele ja seda saab rakendada olekumasinale. Juhid määravad commitIndex-i ja jälgijad uuendavad oma commitIndex-it juhi AppendEntries RPC-de põhjal. Kõik kirjed kuni commitIndex-ini loetakse püsivaks ja neid ei saa tagasi võtta.

5. Hetktõmmised

Aja möödudes võib replikeeritud logi muutuda väga suureks, kulutades olulist kettaruumi ning muutes logi replikatsiooni ja taastamise aeglaseks. Raft lahendab selle snapshots-idega. Hetktõmmis on olekumasina oleku kompaktne esitus konkreetsel ajahetkel. Selle asemel, et säilitada kogu logi, saavad serverid perioodiliselt "pildistada" oma olekut, kõrvaldada kõik logikirjed kuni hetktõmmise punktini ja seejärel replikeerida hetktõmmise uutele või maha jäävatele jälgijatele. See protsess parandab oluliselt efektiivsust:

• Kompaktne logi: Vähendab püsivate logiandmete hulka.
• Kiirem taastumine: Uued või krahhi kogenud serverid saavad kogu logi algusest taasesitamise asemel vastu võtta hetktõmmise.
• InstallSnapshot RPC: Raft defineerib InstallSnapshot RPC hetktõmmiste edastamiseks juhilt jälgijatele.

Kuigi efektiivne, lisab hetktõmmiste tegemine implementatsioonile keerukust, eriti samaaegse hetktõmmise loomise, logi kärpimise ja edastamise haldamisel.

Rafti implementeerimine: praktilised kaalutlused globaalsel juurutamisel

Rafti elegantse disaini tõlkimine vastupidavaks, tootmisvalmis süsteemiks, eriti globaalsete auditooriumide ja mitmekesise infrastruktuuri jaoks, hõlmab mitme praktilise inseneriväljakutse lahendamist.

1. Võrgu latentsus ja jaotused globaalses kontekstis

Globaalselt hajutatud süsteemide puhul on võrgu latentsus oluline tegur. Rafti klaster nõuab tavaliselt enamuse sõlmede nõusolekut logikirje osas enne selle kinnitamist. Kontinentidevaheliselt jaotatud klastris võib sõlmede vaheline latentsus olla sadu millisekundiid. See mõjutab otseselt:

• Kinnitamise latentsus: Kliendipäringu kinnitamiseks kuluv aeg võib olla aeglaseima võrgulingi tõttu replika enamuseni kitsaskohaks. Seda saab leevendada strateegiatega nagu ainult-lugemisega jälgijad (mis ei vaja aegunud lugemiste jaoks juhi interaktsiooni) või geograafiliselt teadlik kvoorumikonfiguratsioon (nt 3 sõlme ühes piirkonnas, 2 teises 5-sõlmelise klastri puhul, kus enamus võib olla ühes kiiremas piirkonnas).
• Juhi valimise kiirus: Suur latentsus võib viivitada RequestVote RPC-sid, mis võib potentsiaalselt viia sagedasemate jagatud häältega valimisteni või pikemate valimisaegadeni. Oluline on kohandada valimiste ajapikendused oluliselt suuremaks kui tüüpiline sõlmedevaheline latentsus.
• Võrgujaotuste haldamine: Reaalse maailma võrgud on vastuvõtlikud jaotustele. Raft käsitleb jaotusi korrektselt, tagades, et ainult enamuse servereid sisaldav jaotus saab valida juhi ja edasi liikuda. Vähemuse jaotus ei saa uusi kirjeid kinnitada, vältides seega jagatud aju stsenaariume. Kuid pikaajalised jaotused globaalselt hajutatud seadistuses võivad viia teatud piirkondade kättesaamatuseni, nõudes hoolikaid arhitektuurilisi otsuseid kvoorumi paigutuse kohta.

2. Püsiv salvestusruum ja vastupidavus

Rafti korrektsus sõltub suurel määral selle logi ja oleku püsivusest. Enne kui server vastab RPC-le või rakendab kirje oma olekumasinale, peab ta tagama, et asjakohased andmed (logikirjed, current term, votedFor) on kirjutatud stabiilsesse salvestusruumi ja fsync'itud (kettale tühjendatud). See hoiab ära andmete kadumise krahhi korral. Kaalutlused hõlmavad:

• Jõudlus: Sagedased kettale kirjutamised võivad olla jõudluse kitsaskohaks. Kirjutamiste pakendamine ja suure jõudlusega SSD-de kasutamine on tavalised optimeerimised.
• Usaldusväärsus: Oluline on valida vastupidav ja püsiv salvestuslahendus (kohalik ketas, võrgu külge ühendatud salvestusruum, pilveblokksalvestus).
• WAL (Write-Ahead Log): Sageli kasutavad Rafti implementatsioonid püsivuse tagamiseks kirjutamisloogiat (write-ahead log), sarnaselt andmebaasidele, et tagada muudatuste kettale kirjutamine enne nende mällu rakendamist.

3. Kliendi interaktsioon ja järjepidevuse mudelid

Kliendid suhtlevad Rafti klastriga, saates päringuid juhile. Kliendipäringute käsitlemine hõlmab:

• Juhi avastamine: Kliendid vajavad mehhanismi praeguse juhi leidmiseks. See võib toimuda teenuse avastamise mehhanismi, fikseeritud lõpp-punkti kaudu, mis ümbersuunab, või proovides servereid, kuni üks neist vastab juhina.
• Päringute uuesti proovimine: Kliendid peavad olema valmis päringuid uuesti proovima, kui juht muutub või kui tekib võrguviga.
• Lugemise järjepidevus: Raft tagab peamiselt tugeva järjepidevuse kirjutamiste puhul. Lugemiste puhul on võimalikud mitmed mudelid:
  • Tugevalt järjepidevad lugemised: Klient saab paluda juhilt tagada oma oleku ajakohasus, saates südamelöögi enamusele oma jälgijatest enne lugemise pakkumist. See tagab värskuse, kuid lisab latentsust.
  • Juhi-rendi lugemised: Juht saab enamuselt sõlmedelt lühikeseks perioodiks "rendi", mille jooksul ta teab, et on endiselt juht, ja saab pakkuda lugemisi ilma edasise konsensuseta. See on kiirem, kuid ajaliselt piiratud.
  • Vananenud lugemised (jälgijatelt): Otse jälgijatelt lugemine võib pakkuda madalamat latentsust, kuid kaasneb oht lugeda vananenud andmeid, kui jälgija logi jääb juhi omast maha. See on vastuvõetav rakenduste puhul, kus lõplik järjepidevus on lugemiste jaoks piisav.

4. Konfiguratsioonimuutused (klastri liikmesus)

Rafti klastri liikmesuse muutmine (serverite lisamine või eemaldamine) on keeruline toiming, mis tuleb samuti teostada konsensuse kaudu, et vältida ebakõlasid või jagatud aju stsenaariume. Raft pakub välja tehnikat, mida nimetatakse ühiseks konsensuseks:

• Kaks konfiguratsiooni: Konfiguratsioonimuutuse ajal töötab süsteem ajutiselt kahe kattuvate konfiguratsiooniga: vana konfiguratsioon (C_old) ja uus konfiguratsioon (C_new).
• Ühise konsensuse olek (C_old, C_new): Juht pakub välja spetsiaalse logikirje, mis esindab ühist konfiguratsiooni. Kui see kirje on kinnitatud (nõudes kokkulepet enamuselt nii C_old kui ka C_new konfiguratsioonides), on süsteem üleminekuolekus. Nüüd nõuavad otsused enamust mõlemast konfiguratsioonist. See tagab, et üleminekuperioodil ei saa vana ega uus konfiguratsioon teha otsuseid ühepoolselt, vältides lahknevusi.
• Üleminek C_new-le: Kui ühise konfiguratsiooni logikirje on kinnitatud, pakub juht välja veel ühe logikirje, mis esindab ainult uut konfiguratsiooni (C_new). Kui see teine kirje on kinnitatud, hüljatakse vana konfiguratsioon ja süsteem töötab ainult C_new all.
• Ohutus: See kaheetapiline kinnituse-sarnane protsess tagab, et ühelgi hetkel ei saa valida kahte vastuolulist juhti (üks C_old all, teine C_new all) ja et süsteem jääb muudatuse vältel töökorda.

Konfiguratsioonimuutuste korrektne implementeerimine on Rafti implementatsiooni üks keerulisemaid osi, kuna üleminekuolekus esineb arvukalt äärmuslikke juhtumeid ja rikkestenaariume.

5. Hajutatud süsteemide testimine: range lähenemine

Hajutatud konsensuse algoritmi nagu Raft testimine on erakordselt keeruline selle mittedeterministliku olemuse ja paljude rikkerežiimide tõttu. Lihtsad ühikutestid on ebapiisavad. Range testimine hõlmab:

• Vea sisestamine: Süstemaatiline rikete sisseviimine, nagu sõlmede krahhid, võrgujaotused, sõnumite viivitused ja sõnumite ümberjärjestamine. Sellised tööriistad nagu Jepsen on spetsiaalselt selleks otstarbeks loodud.
• Omaduspõhine testimine: Invariantide ja ohutusomaduste (nt maksimaalselt üks juht ajaperioodi kohta, kinnitatud kirjeid ei kaotata kunagi) defineerimine ja testimine, et implementatsioon neid erinevates tingimustes säilitab.
• Mudeli kontroll: Algoritmi kriitiliste osade puhul saab korrektsuse tõestamiseks kasutada formaalseid verifitseerimistehnikaid, kuigi see on väga spetsialiseeritud.
• Simuleeritud keskkonnad: Testide käivitamine keskkondades, mis simuleerivad globaalsetele juurutamistele iseloomulikke võrgutingimusi (latentsus, pakettide kadu).

Kasutusjuhud ja reaalse maailma rakendused

Rafti praktilisus ja arusaadavus on viinud selle laialdasele kasutuselevõtule erinevates kriitilistes infrastruktuurikomponentides:

1. Hajutatud võtme-väärtuse hoidlad ja andmebaasi replikatsioon

• etcd: Kubernetes'i põhikomponent, etcd kasutab Rafti konfiguratsiooniandmete, teenuse avastamise teabe salvestamiseks ja replikeerimiseks ning klastri oleku haldamiseks. Selle usaldusväärsus on Kubernetes'i korrektseks toimimiseks ülioluline.
• Consul: HashiCorpi poolt arendatud Consul kasutab Rafti oma hajutatud salvestusmootori jaoks, võimaldades teenuse avastamist, tervisekontrolli ja konfiguratsioonihaldust dünaamilistes infrastruktuurikeskkondades.
• TiKV: TiDB (hajutatud SQL-andmebaasi) kasutatav hajutatud transaktsiooniline võtme-väärtuse hoidla implementeerib Rafti oma andmete replikatsiooni ja järjepidevuse tagamiseks.
• CockroachDB: See globaalselt hajutatud SQL-andmebaas kasutab Rafti laialdaselt andmete replikeerimiseks mitme sõlme ja geograafia vahel, tagades kõrge kättesaadavuse ja tugeva järjepidevuse isegi piirkonnaüleste rikete korral.

2. Teenuse avastamine ja konfiguratsioonihaldus

Raft pakub ideaalse aluse süsteemidele, mis peavad salvestama ja levitama kriitilisi metaandmeid teenuste ja konfiguratsioonide kohta klastris. Kui teenus registreerib või selle konfiguratsioon muutub, tagab Raft, et kõik sõlmed lõpuks nõustuvad uue olekuga, võimaldades dünaamilisi uuendusi ilma käsitsi sekkumiseta.

3. Hajutatud tehingute koordinaatorid

Süsteemidele, mis nõuavad aatomilisust mitme toimingu või teenuse vahel, saab Raft aluseks olla hajutatud tehingute koordinaatoritele, tagades, et tehingulogid replikeeritakse järjepidevalt enne muudatuste kinnitamist osalejate vahel.

4. Klastri koordineerimine ja juhi valimine teistes süsteemides

Lisaks otsesele andmebaasi või võtme-väärtuse salvestusruumi kasutamisele on Raft sageli integreeritud raamatukogu või põhikomponendina koordineerimisülesannete haldamiseks, teiste hajutatud protsesside juhtide valimiseks või usaldusväärse juhtimiskihi pakkumiseks suuremates süsteemides. Näiteks paljud pilvepõhised lahendused kasutavad Rafti oma juhtimiskihi komponentide oleku haldamiseks.

Rafti eelised ja puudused

Kuigi Raft pakub märkimisväärseid eeliseid, on oluline mõista selle kompromisse.

Eelised:

• Arusaadavus: Selle peamine disainieesmärk, muutes selle implementeerimise, silumise ja arutlemise lihtsamaks kui vanemate konsensuse algoritmide nagu Paxos puhul.
• Tugev järjepidevus: Pakub tugevaid järjepidevuse garantiisid kinnitatud logikirjetele, tagades andmete terviklikkuse ja usaldusväärsuse.
• Veataluvus: Talub vähemuse sõlmede rikkeid (kuni (N-1)/2 riket N-sõlmelises klastris) ilma kättesaadavust või järjepidevust kaotamata.
• Jõudlus: Stabiilsetes tingimustes (ilma juhi muutumiseta) suudab Raft saavutada kõrge läbilaskevõime, sest juht töötleb kõiki päringuid järjestikku ja replikeerib paralleelselt, kasutades võrgu ribalaiust tõhusalt.
• Selgelt määratletud rollid: Selged rollid (juht, jälgija, kandidaat) ja olekute üleminekud lihtsustavad mõttemudelit ja implementatsiooni.
• Konfiguratsioonimuutused: Pakub vastupidavat mehhanismi (ühine konsensus) sõlmede turvaliseks lisamiseks või eemaldamiseks klastrist, ilma järjepidevust ohustamata.

Puudused:

• Juhi kitsaskoht: Kõik kliendi kirjutamispäringud peavad läbima juhi. Stsenaariumides, kus on äärmiselt suur kirjutamisläbilaskevõime või kus juhid on klientidest geograafiliselt kaugel, võib see muutuda jõudluse kitsaskohaks.
• Lugemise latentsus: Tugevalt järjepidevate lugemiste saavutamine nõuab sageli suhtlust juhiga, mis võib potentsiaalselt lisada latentsust. Jälgijatelt lugemine riskib vananenud andmetega.
• Kvoorumi nõue: Nõuab enamuse sõlmede kättesaadavust uute kirjete kinnitamiseks. 5-sõlmelises klastris on 2 riket talutavad. Kui 3 sõlme ebaõnnestub, muutub klaster kirjutamiste jaoks kättesaamatuks. See võib olla keeruline väga jaotatud või geograafiliselt hajutatud keskkondades, kus enamuse säilitamine piirkondade vahel on raske.
• Võrgu tundlikkus: Väga tundlik võrgu latentsusele ja jaotustele, mis võivad mõjutada valimisaegu ja süsteemi üldist läbilaskevõimet, eriti laialdaselt hajutatud juurutamistes.
• Konfiguratsioonimuutuste keerukus: Kuigi vastupidav, on ühine konsensuse mehhanism üks Rafti algoritmi keerulisemaid osi, mida korrektselt implementeerida ja põhjalikult testida.
• Üksik rikkekoht (kirjutamiste puhul): Kuigi veataluv juhi rikke korral, kui juht on püsivalt maas ja uut juhti ei saa valida (nt võrgujaotuste või liiga paljude rikete tõttu), ei saa süsteem kirjutamiste osas edasi liikuda.

Järeldus: Hajutatud konsensuse valdamine vastupidavate globaalsete süsteemide jaoks

Rafti algoritm on tunnistus läbimõeldud disaini võimest keerulisi probleeme lihtsustada. Selle arusaadavuse rõhutamine on demokratiseerinud hajutatud konsensuse, võimaldades laiemal hulgal arendajatel ja organisatsioonidel luua kõrge kättesaadavusega ja veataluvusega süsteeme, andmata järele eelnevate lähenemisviiside salapärastele keerukustele.

Alates konteinerklastrite orkestreerimisest Kubernetes'iga (etcd kaudu) kuni vastupidava andmesalvestuse pakkumiseni globaalsetele andmebaasidele nagu CockroachDB, on Raft vaikne tööhobune, tagades, et meie digitaalne maailm jääb järjepidevaks ja töökorras. Rafti implementeerimine ei ole tühine ettevõtmine, kuid selle spetsifikatsiooni selgus ja ümbritseva ökosüsteemi rikkus muudavad selle tasuvaks püüdluseks neile, kes on pühendunud järgmise põlvkonna robustse, skaleeritava infrastruktuuri loomisele.

Teostatavad soovitused arendajatele ja arhitektidele:

• Seadke mõistmine esikohale: Enne implementatsiooni alustamist investeerige aega Rafti iga reegli ja olekumuutuse põhjalikku mõistmisse. Algne paber ja visuaalsed selgitused on hindamatud ressursid.
• Kasutage olemasolevaid teeke: Enamiku rakenduste puhul kaaluge hästi kontrollitud olemasolevate Rafti implementatsioonide (nt etcd, HashiCorpi Rafti teek) kasutamist, mitte nullist ehitamist, välja arvatud juhul, kui teie nõuded on väga spetsialiseeritud või te teostate akadeemilist uurimistööd.
• Range testimine on vaieldamatu: Rikete sisestamine, omaduspõhine testimine ja rikestenaariumide ulatuslik simuleerimine on iga hajutatud konsensuse süsteemi jaoks üliolulised. Ärge kunagi eeldage, et "see töötab", ilma seda põhjalikult lõhkumata.
• Kujundage globaalset latentsust silmas pidades: Globaalselt juurutamisel kaaluge hoolikalt oma kvoorumi paigutust, võrgu topoloogiat ja klientide lugemisstrateegiaid, et optimeerida nii järjepidevust kui ka jõudlust erinevates geograafilistes piirkondades.
• Püsivus ja vastupidavus: Veenduge, et teie alusandmete salvestuskiht on robustne ja et fsync või samaväärseid toiminguid kasutatakse korrektselt, et vältida andmekadu krahhi stsenaariumides.

Kuna hajutatud süsteemid jätkavad arengut, jäävad Rafti kehastatud põhimõtted – selgus, robustsus ja veataluvus – usaldusväärse tarkvaratehnika nurgakivideks. Rafti valdamisega varustate end võimsa tööriistaga vastupidavate, globaalselt skaleeritavate rakenduste loomiseks, mis suudavad vastu pidada hajutatud andmetöötluse vältimatule kaosele.