Hajautetun konsensuksen hallinta: Syväsukellus Raft-algoritmin toteutukseen globaaleissa järjestelmissä

Yhä verkottuneemmassa maailmassamme hajautetut järjestelmät ovat lähes jokaisen digitaalisen palvelun selkäranka verkkokaupoista ja rahoituslaitoksista pilvipalveluinfrastruktuuriin ja reaaliaikaisiin viestintätyökaluihin. Nämä järjestelmät tarjoavat vertaansa vailla olevaa skaalautuvuutta, saatavuutta ja resilienssiä jakamalla työkuormia ja dataa useiden koneiden kesken. Tämän voiman mukana tulee kuitenkin merkittävä haaste: sen varmistaminen, että kaikki komponentit ovat yhtä mieltä järjestelmän tilasta, jopa verkon viiveiden, solmujen vikojen ja samanaikaisten toimintojen kohdatessa. Tämä perustavanlaatuinen ongelma tunnetaan nimellä hajautettu konsensus.

Konsensuksen saavuttaminen asynkronisessa, vika-alttiissa hajautetussa ympäristössä on tunnetusti monimutkaista. Vuosikymmeniä Paxos oli hallitseva algoritmi tämän haasteen ratkaisemiseksi; sitä kunnioitettiin teoreettisen vankkuutensa vuoksi, mutta usein kritisoitiin sen monimutkaisuudesta ja vaikeasta toteutettavuudesta. Sitten tuli Raft, algoritmi, jonka ensisijaisena tavoitteena oli ymmärrettävyys. Raft pyrkii olemaan vikasietoisuudeltaan ja suorituskyvyltään Paxosin veroinen, mutta se on rakenteeltaan paljon helpompi kehittäjien ymmärtää ja rakentaa sen päälle.

Tämä kattava opas syventyy Raft-algoritmiin, tutkien sen perusperiaatteita, toimintamekanismeja, käytännön toteutusnäkökohtia ja sen elintärkeää roolia kestävien, globaalisti hajautettujen sovellusten rakentamisessa. Olitpa kokenut arkkitehti, hajautettujen järjestelmien insinööri tai kehittäjä, joka pyrkii rakentamaan korkean saatavuuden palveluita, Raftin ymmärtäminen on olennainen askel kohti modernin tietojenkäsittelyn monimutkaisuuksien hallintaa.

Hajautetun konsensuksen välttämättömyys moderneissa arkkitehtuureissa

Kuvittele globaali verkkokauppa-alusta, joka käsittelee miljoonia tapahtumia sekunnissa. Asiakastietojen, varastotasojen, tilausten tilojen – kaiken on pysyttävä johdonmukaisena useissa datakeskuksissa mantereiden välillä. Pankkijärjestelmän pääkirja, joka on jaettu useille palvelimille, ei voi sallia hetkellistäkään erimielisyyttä tilin saldosta. Nämä skenaariot korostavat hajautetun konsensuksen kriittistä merkitystä.

Hajautettujen järjestelmien luontaiset haasteet

Hajautetut järjestelmät tuovat luonteensa vuoksi mukanaan lukemattomia haasteita, joita ei esiinny monoliittisissa sovelluksissa. Näiden haasteiden ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää Raftin kaltaisten algoritmien eleganssin ja tarpeellisuuden arvostamiseksi:

• Osittaiset viat: Toisin kuin yksi palvelin, joka joko toimii tai pettää kokonaan, hajautetussa järjestelmässä osa solmuista voi pettää muiden jatkaessa toimintaansa. Palvelin voi kaatua, sen verkkoyhteys voi katketa tai sen levy voi vioittua, kaikki samalla kun muu klusteri pysyy toiminnassa. Järjestelmän on jatkettava toimintaansa oikein näistä osittaisista vioista huolimatta.
• Verkko-osioinnit: Solmuja yhdistävä verkko ei ole aina luotettava. Verkko-osiointi (network partition) tapahtuu, kun viestintä solmujen alijoukkojen välillä katkeaa, mikä saa näyttämään siltä, että tietyt solmut ovat pettäneet, vaikka ne olisivatkin yhä käynnissä. Näiden "split-brain"-tilanteiden ratkaiseminen, joissa järjestelmän eri osat toimivat itsenäisesti vanhentuneen tai epäjohdonmukaisen tiedon perusteella, on keskeinen konsensusongelma.
• Asynkroninen viestintä: Solmujen väliset viestit voivat viivästyä, niiden järjestys voi muuttua tai ne voivat kadota kokonaan. Ei ole olemassa globaalia kelloa tai takeita viestien toimitusajoista, mikä vaikeuttaa tapahtumien johdonmukaisen järjestyksen tai lopullisen järjestelmän tilan määrittämistä.
• Samanaikaisuus: Useat solmut voivat yrittää päivittää samaa tietoa tai aloittaa toimintoja samanaikaisesti. Ilman mekanismia näiden operaatioiden koordinoimiseksi konfliktit ja epäjohdonmukaisuudet ovat väistämättömiä.
• Ennustamaton viive: Erityisesti globaalisti hajautetuissa käyttöönotoissa verkon viive voi vaihdella merkittävästi. Toiminnot, jotka ovat nopeita yhdellä alueella, voivat olla hitaita toisella, mikä vaikuttaa päätöksentekoprosesseihin ja koordinaatioon.

Miksi konsensus on luotettavuuden kulmakivi

Konsensusalgoritmit tarjoavat perusrakennuspalikan näiden haasteiden ratkaisemiseksi. Ne mahdollistavat epäluotettavien komponenttien kokoelman toimimisen yhdessä yhtenäisenä, erittäin luotettavana ja johdonmukaisena yksikkönä. Erityisesti konsensus auttaa saavuttamaan:

• Tilakoneen replikointi (State Machine Replication, SMR): Monien vikasietoisten hajautettujen järjestelmien ydinidea. Jos kaikki solmut ovat yhtä mieltä operaatioiden järjestyksestä, ja jos jokainen solmu alkaa samasta alkutilasta ja suorittaa nämä operaatiot samassa järjestyksessä, kaikki solmut saavuttavat saman lopputilan. Konsensus on mekanismi, jolla sovitaan tästä globaalista operaatioiden järjestyksestä.
• Korkea saatavuus: Sallimalla järjestelmän jatkaa toimintaansa, vaikka vähemmistö solmuista pettäisi, konsensus varmistaa, että palvelut pysyvät saatavilla ja toiminnassa, minimoiden käyttökatkot.
• Datan johdonmukaisuus: Se takaa, että kaikki datan replikat pysyvät synkronoituina, estäen ristiriitaiset päivitykset ja varmistaen, että asiakkaat lukevat aina ajantasaisimman ja oikean tiedon.
• Vikasietoisuus: Järjestelmä sietää tietyn määrän mielivaltaisia solmujen vikoja (yleensä kaatumisvikoja) ja jatkaa etenemistään ilman ihmisen väliintuloa.

Esittelyssä Raft: Ymmärrettävä lähestymistapa konsensukseen

Raft syntyi akateemisessa maailmassa selkeällä tavoitteella: tehdä hajautetusta konsensuksesta lähestyttävä. Sen tekijät, Diego Ongaro ja John Ousterhout, suunnittelivat Raftin nimenomaisesti ymmärrettävyyttä varten, tavoitteenaan mahdollistaa konsensusalgoritmien laajempi käyttöönotto ja oikea toteutus.

Raftin ydinfilosofia: Ymmärrettävyys edellä

Raft hajottaa monimutkaisen konsensusongelman useisiin suhteellisen itsenäisiin osaongelmiin, joilla kullakin on omat erityiset sääntönsä ja käyttäytymismallinsa. Tämä modulaarisuus auttaa merkittävästi ymmärtämistä. Keskeiset suunnitteluperiaatteet ovat:

• Johtajakeskeinen lähestymistapa: Toisin kuin joissakin muissa konsensusalgoritmeissa, joissa kaikki solmut osallistuvat tasavertaisesti päätöksentekoon, Raft nimeää yhden johtajan. Johtaja on vastuussa replikoidun lokin hallinnasta ja kaikkien asiakaspyyntöjen koordinoinnista. Tämä yksinkertaistaa lokinhallintaa ja vähentää solmujen välisten vuorovaikutusten monimutkaisuutta.
• Vahva johtaja: Johtaja on ylin auktoriteetti uusien lokimerkintöjen ehdottamisessa ja niiden vahvistamisen (commit) ajankohdan määrittämisessä. Seuraajat replikoivat passiivisesti johtajan lokia ja vastaavat johtajan pyyntöihin.
• Deterministiset vaalit: Raft käyttää satunnaistettua vaalien aikakatkaisua varmistaakseen, että tyypillisesti vain yksi ehdokas nousee johtajaksi tietyssä vaalikaudessa.
• Lokin johdonmukaisuus: Raft pakottaa replikoituun lokiinsa vahvat johdonmukaisuusominaisuudet, varmistaen, että vahvistettuja merkintöjä ei koskaan peruta ja että kaikki vahvistetut merkinnät ilmestyvät lopulta kaikkiin saatavilla oleviin solmuihin.

Lyhyt vertailu Paxosiin

Ennen Raftia Paxos oli hajautetun konsensuksen de facto -standardi. Vaikka Paxos on tehokas, se on tunnetusti vaikea ymmärtää ja toteuttaa oikein. Sen suunnittelu, joka erottaa roolit (ehdottaja, hyväksyjä, oppija) ja sallii useiden johtajien olemassaolon samanaikaisesti (vaikka vain yksi voi vahvistaa arvon), voi johtaa monimutkaisiin vuorovaikutuksiin ja reunatapauksiin.

Raft sen sijaan yksinkertaistaa tila-avaruutta. Se pakottaa vahvan johtajamallin, jossa johtaja on vastuussa kaikista lokin muutoksista. Se määrittelee selkeästi roolit (Johtaja, Seuraaja, Ehdokas) ja siirtymät niiden välillä. Tämä rakenne tekee Raftin käyttäytymisestä intuitiivisempaa ja helpommin pääteltävää, mikä johtaa vähempiin toteutusvirheisiin ja nopeampiin kehityssykleihin. Monet todellisen maailman järjestelmät, jotka alun perin kamppailivat Paxosin kanssa, ovat menestyneet ottamalla käyttöön Raftin.

Raftin kolme perusroolia

Kullakin hetkellä jokainen Raft-klusterin palvelin on yhdessä kolmesta tilasta: Johtaja, Seuraaja tai Ehdokas. Nämä roolit ovat toisensa poissulkevia ja dynaamisia, ja palvelimet siirtyvät niiden välillä tiettyjen sääntöjen ja tapahtumien perusteella.

1. Seuraaja

• Passiivinen rooli: Seuraajat ovat Raftin passiivisin tila. Ne vastaavat vain johtajien ja ehdokkaiden pyyntöihin.
• Sydämenlyöntien vastaanottaminen: Seuraaja odottaa saavansa johtajalta säännöllisin väliajoin sydämenlyöntejä (tyhjiä AppendEntries RPC -kutsuja). Jos seuraaja ei saa sydämenlyöntiä tai AppendEntries RPC -kutsua tietyn vaalien aikakatkaisu -ajan kuluessa, se olettaa johtajan pettäneen ja siirtyy ehdokastilaan.
• Äänestäminen: Vaalien aikana seuraaja äänestää enintään yhtä ehdokasta per kausi.
• Lokin replikointi: Seuraajat lisäävät lokimerkintöjä paikalliseen lokiinsa johtajan ohjeiden mukaisesti.

2. Ehdokas

• Vaalien aloittaminen: Kun seuraajan aikakatkaisu umpeutuu (ei kuule johtajasta), se siirtyy ehdokastilaan aloittaakseen uudet vaalit.
• Itsensä äänestäminen: Ehdokas kasvattaa nykyistä kauttaan, äänestää itseään ja lähettää RequestVote RPC -kutsuja kaikille muille klusterin palvelimille.
• Vaalien voittaminen: Jos ehdokas saa ääniä enemmistöltä klusterin palvelimista samalla kaudella, se siirtyy johtajatilaan.
• Asemasta luopuminen: Jos ehdokas löytää toisen palvelimen, jolla on korkeampi kausi, tai jos se saa AppendEntries RPC -kutsun lailliselta johtajalta, se palaa seuraajatilaan.

3. Johtaja

• Ainoa auktoriteetti: Raft-klusterissa on kullakin hetkellä vain yksi johtaja (tietylle kaudelle). Johtaja on vastuussa kaikista asiakasvuorovaikutuksista, lokin replikoinnista ja johdonmukaisuuden varmistamisesta.
• Sydämenlyöntien lähettäminen: Johtaja lähettää säännöllisesti AppendEntries RPC -kutsuja (sydämenlyöntejä) kaikille seuraajille ylläpitääkseen auktoriteettiaan ja estääkseen uudet vaalit.
• Lokinhallinta: Johtaja hyväksyy asiakaspyyntöjä, lisää uusia lokimerkintöjä paikalliseen lokiinsa ja replikoi sitten nämä merkinnät kaikille seuraajille.
• Vahvistaminen (Commitment): Johtaja päättää, milloin merkintä on turvallisesti replikoitu enemmistölle palvelimista ja voidaan vahvistaa tilakoneeseen.
• Asemasta luopuminen: Jos johtaja löytää palvelimen, jolla on korkeampi kausi, se luopuu välittömästi asemastaan ja palaa seuraajaksi. Tämä varmistaa, että järjestelmä etenee aina korkeimman tunnetun kauden kanssa.

Raftin toimintavaiheet: Yksityiskohtainen läpikäynti

Raft toimii jatkuvassa johtajan valinnan ja lokin replikoinnin syklissä. Nämä kaksi päämekanismia yhdessä kriittisten turvallisuusominaisuuksien kanssa varmistavat, että klusteri säilyttää johdonmukaisuuden ja vikasietoisuuden.

1. Johtajan valinta

Johtajan valintaprosessi on Raftin toiminnan perusta, varmistaen että klusterilla on aina yksi, auktoritatiivinen solmu koordinoimassa toimintoja.

• Vaalien aikakatkaisu: Jokainen seuraaja ylläpitää satunnaistettua vaalien aikakatkaisua (tyypillisesti 150-300 ms). Jos seuraaja ei saa mitään viestintää (sydämenlyöntiä tai AppendEntries RPC -kutsua) nykyiseltä johtajalta tämän aikakatkaisun aikana, se olettaa johtajan pettäneen tai verkon osioinnin tapahtuneen.
• Siirtyminen ehdokkaaksi: Aikakatkaisun jälkeen seuraaja siirtyy Ehdokas-tilaan. Se kasvattaa nykyistä kauttaan, äänestää itseään ja nollaa vaaliajastimensa.
• RequestVote RPC: Ehdokas lähettää sitten RequestVote RPC -kutsuja kaikille muille klusterin palvelimille. Tämä RPC sisältää ehdokkaan nykyisen kauden, sen candidateId:n ja tietoa sen viimeisestä loki-indeksistä ja viimeisestä lokikaudesta (lisää siitä, miksi tämä on tärkeää turvallisuuden kannalta myöhemmin).
• Äänestyssäännöt: Palvelin antaa äänensä ehdokkaalle, jos:
  1. Sen nykyinen kausi on pienempi tai yhtä suuri kuin ehdokkaan kausi.
  2. Se ei ole vielä äänestänyt toista ehdokasta nykyisellä kaudella.
  3. Ehdokkaan loki on vähintään yhtä ajantasainen kuin sen oma. Tämä määritetään vertaamalla ensin viimeistä lokikautta, sitten viimeistä loki-indeksiä, jos kaudet ovat samat. Ehdokas on "ajantasainen", jos sen loki sisältää kaikki vahvistetut merkinnät, jotka äänestäjän loki sisältää. Tätä kutsutaan vaalirajoitukseksi ja se on kriittinen turvallisuuden kannalta.
• Vaalien voittaminen: Ehdokkaasta tulee uusi johtaja, jos se saa ääniä enemmistöltä klusterin palvelimista samalla kaudella. Valituksi tultuaan uusi johtaja lähettää välittömästi AppendEntries RPC -kutsuja (sydämenlyöntejä) kaikille muille palvelimille vahvistaakseen auktoriteettinsa ja estääkseen uudet vaalit.
• Hajaäänet ja uudelleenyritykset: On mahdollista, että useita ehdokkaita ilmestyy samanaikaisesti, mikä johtaa hajaääniin, joissa kukaan ehdokas ei saa enemmistöä. Tämän ratkaisemiseksi kullakin ehdokkaalla on satunnaistettu vaalien aikakatkaisu. Jos ehdokkaan aikakatkaisu umpeutuu ilman vaalivoittoa tai kuulematta uudesta johtajasta, se kasvattaa kauttaan ja aloittaa uuden vaalin. Satunnaistaminen auttaa varmistamaan, että hajaäänet ovat harvinaisia ja ratkeavat nopeasti.
• Korkeampien kausien löytäminen: Jos ehdokas (tai mikä tahansa palvelin) saa RPC-kutsun, jonka kausi on korkeampi kuin sen oma nykyinen kausi, se päivittää välittömästi oman nykyisen kautensa korkeampaan arvoon ja palaa seuraaja-tilaan. Tämä varmistaa, että vanhentunutta tietoa omaava palvelin ei koskaan yritä tulla johtajaksi tai häiritä laillista johtajaa.

2. Lokin replikointi

Kun johtaja on valittu, sen päävastuu on hallita replikoitua lokia ja varmistaa johdonmukaisuus klusterissa. Tämä sisältää asiakaskomentojen hyväksymisen, niiden lisäämisen omaan lokiinsa ja niiden replikoinnin seuraajille.

• Asiakaspyynnöt: Kaikki asiakaspyynnöt (tilakoneen suoritettavat komennot) ohjataan johtajalle. Jos asiakas ottaa yhteyttä seuraajaan, seuraaja ohjaa pyynnön nykyiselle johtajalle.
• Lisääminen johtajan lokiin: Kun johtaja saa asiakaskomennon, se lisää komennon uutena lokimerkintänä paikalliseen lokiinsa. Jokainen lokimerkintä sisältää itse komennon, kauden jolloin se vastaanotettiin, ja sen loki-indeksin.
• AppendEntries RPC: Johtaja lähettää sitten AppendEntries RPC -kutsuja kaikille seuraajille pyytäen niitä lisäämään uuden lokimerkinnän (tai erän merkintöjä) lokiinsa. Nämä RPC-kutsut sisältävät:
  • kausi: Johtajan nykyinen kausi.
  • leaderId: Johtajan tunniste (jotta seuraajat voivat ohjata asiakkaita).
  • prevLogIndex: Uusia merkintöjä välittömästi edeltävän lokimerkinnän indeksi.
  • prevLogTerm: prevLogIndex-merkinnän kausi. Nämä kaksi (prevLogIndex, prevLogTerm) ovat ratkaisevan tärkeitä lokin täsmäämisominaisuudelle.
  • entries[]: Tallennettavat lokimerkinnät (tyhjä sydämenlyönneille).
  • leaderCommit: Johtajan commitIndex (korkeimman tunnetusti vahvistetun lokimerkinnän indeksi).
• Johdonmukaisuuden tarkistus (Lokin täsmäämisominaisuus): Kun seuraaja saa AppendEntries RPC -kutsun, se suorittaa johdonmukaisuuden tarkistuksen. Se varmistaa, onko sen lokissa merkintä indeksissä prevLogIndex, jonka kausi vastaa prevLogTerm-arvoa. Jos tämä tarkistus epäonnistuu, seuraaja hylkää AppendEntries RPC -kutsun ja ilmoittaa johtajalle, että sen loki on epäjohdonmukainen.
• Epäjohdonmukaisuuksien ratkaiseminen: Jos seuraaja hylkää AppendEntries RPC -kutsun, johtaja pienentää kyseisen seuraajan nextIndex-arvoa ja yrittää AppendEntries RPC -kutsua uudelleen. nextIndex on sen seuraavan lokimerkinnän indeksi, jonka johtaja lähettää tietylle seuraajalle. Tämä prosessi jatkuu, kunnes nextIndex saavuttaa pisteen, jossa johtajan ja seuraajan lokit täsmäävät. Kun täsmäys löytyy, seuraaja voi hyväksyä seuraavat lokimerkinnät ja lopulta saattaa lokinsa johdonmukaiseksi johtajan lokin kanssa.
• Merkintöjen vahvistaminen (Committing): Merkintää pidetään vahvistettuna, kun johtaja on onnistuneesti replikoinut sen enemmistölle palvelimista (mukaan lukien itsensä). Kun merkintä on vahvistettu, se voidaan soveltaa paikalliseen tilakoneeseen. Johtaja päivittää commitIndex-arvonsa ja sisällyttää sen seuraaviin AppendEntries RPC -kutsuihin ilmoittaakseen seuraajille vahvistetuista merkinnöistä. Seuraajat päivittävät commitIndex-arvonsa johtajan leaderCommit-arvon perusteella ja soveltavat merkinnät kyseiseen indeksiin asti tilakoneeseensa.
• Johtajan täydellisyysominaisuus: Raft takaa, että jos lokimerkintä on vahvistettu tietyllä kaudella, kaikkien myöhempien johtajien on myös omistettava kyseinen lokimerkintä. Tätä ominaisuutta valvoo vaalirajoitus: ehdokas voi voittaa vaalit vain, jos sen loki on vähintään yhtä ajantasainen kuin enemmistöllä muista palvelimista. Tämä estää sellaisen johtajan valinnan, joka saattaisi ylikirjoittaa tai jättää huomiotta vahvistettuja merkintöjä.

3. Turvallisuusominaisuudet ja takuut

Raftin vankkuus perustuu useisiin huolellisesti suunniteltuihin turvallisuusominaisuuksiin, jotka estävät epäjohdonmukaisuuksia ja varmistavat datan eheyden:

• Vaaliturvallisuus: Enintään yksi johtaja voidaan valita tietyllä kaudella. Tätä valvoo äänestysmekanismi, jossa seuraaja antaa enintään yhden äänen per kausi ja ehdokas tarvitsee enemmistön äänistä.
• Johtajan täydellisyys: Jos lokimerkintä on vahvistettu tietyllä kaudella, kyseinen merkintä on läsnä kaikkien myöhempien johtajien lokeissa. Tämä on ratkaisevan tärkeää vahvistetun datan menettämisen estämiseksi ja sen varmistaa pääasiassa vaalirajoitus.
• Lokin täsmäämisominaisuus: Jos kahdessa lokissa on merkintä samalla indeksillä ja kaudella, lokit ovat identtisiä kaikissa edeltävissä merkinnöissä. Tämä yksinkertaistaa lokin johdonmukaisuuden tarkistuksia ja antaa johtajalle mahdollisuuden saattaa seuraajien lokit tehokkaasti ajan tasalle.
• Vahvistuksen turvallisuus: Kun merkintä on vahvistettu, sitä ei koskaan peruta tai ylikirjoiteta. Tämä on suora seuraus Johtajan täydellisyys- ja Lokin täsmäämisominaisuuksista. Kun merkintä on vahvistettu, sitä pidetään pysyvästi tallennettuna.

Raftin keskeiset käsitteet ja mekanismit

Roolien ja toimintavaiheiden lisäksi Raft tukeutuu useisiin ydinkäsitteisiin tilan hallitsemiseksi ja oikeellisuuden varmistamiseksi.

1. Kaudet (Terms)

Kausi (term) Raftissa on jatkuvasti kasvava kokonaisluku. Se toimii loogisena kellona klusterille. Jokainen kausi alkaa vaaleilla, ja jos vaalit onnistuvat, valitaan yksi johtaja kyseiselle kaudelle. Kaudet ovat kriittisiä vanhentuneen tiedon tunnistamisessa ja sen varmistamisessa, että palvelimet noudattavat aina ajantasaisinta tietoa:

• Palvelimet vaihtavat nykyisen kautensa kaikissa RPC-kutsuissa.
• Jos palvelin löytää toisen palvelimen, jolla on korkeampi kausi, se päivittää oman nykyisen kautensa ja palaa seuraaja-tilaan.
• Jos ehdokas tai johtaja huomaa, että sen kausi on vanhentunut (pienempi kuin toisen palvelimen kausi), se luopuu välittömästi asemastaan.

2. Lokimerkinnät

Loki on Raftin keskeinen komponentti. Se on järjestetty sarja merkintöjä, jossa jokainen lokimerkintä edustaa komentoa, jonka tilakoneen on suoritettava. Jokainen merkintä sisältää:

• Komento: Suoritettava varsinainen operaatio (esim. "set x=5", "create user").
• Kausi: Kausi, jolloin merkintä luotiin johtajalla.
• Indeksi: Merkinnän sijainti lokissa. Lokimerkinnät ovat tiukasti järjestettyjä indeksin mukaan.

Loki on pysyvä, mikä tarkoittaa, että merkinnät kirjoitetaan vakaaseen tallennustilaan ennen asiakkaille vastaamista, mikä suojaa tietojen menetykseltä kaatumistilanteissa.

3. Tilakone

Jokainen Raft-klusterin palvelin ylläpitää tilakonetta. Tämä on sovelluskohtainen komponentti, joka käsittelee vahvistettuja lokimerkintöjä. Johdonmukaisuuden varmistamiseksi tilakoneen on oltava deterministinen (annetulla samalla alkutilalla ja komentojonolla se tuottaa aina saman tuloksen ja lopputilan) ja idempotentti (saman komennon soveltaminen useita kertoja saa aikaan saman vaikutuksen kuin sen soveltaminen kerran, mikä auttaa käsittelemään uudelleenyrityksiä sulavasti, vaikka Raftin lokin vahvistus takaa suurelta osin yhden sovelluksen).

4. Commit-indeksi

Commit-indeksi on korkein lokimerkinnän indeksi, jonka tiedetään olevan vahvistettu. Tämä tarkoittaa, että se on turvallisesti replikoitu enemmistölle palvelimista ja voidaan soveltaa tilakoneeseen. Johtajat määrittävät commit-indeksin, ja seuraajat päivittävät oman commit-indeksinsä johtajan AppendEntries RPC -kutsujen perusteella. Kaikki merkinnät commit-indeksiin asti katsotaan pysyviksi eikä niitä voi peruuttaa.

5. Tilannekuvat (Snapshots)

Ajan myötä replikoitu loki voi kasvaa hyvin suureksi, kuluttaen merkittävästi levytilaa ja tehden lokin replikoinnista ja palautumisesta hidasta. Raft ratkaisee tämän tilannekuvilla. Tilannekuva on tiivis esitys tilakoneen tilasta tiettynä ajanhetkenä. Koko lokin säilyttämisen sijaan palvelimet voivat säännöllisesti ottaa "tilannekuvan" tilastaan, hylätä kaikki lokimerkinnät tilannekuvan pisteeseen asti ja replikoida sitten tilannekuvan uusille tai jäljessä oleville seuraajille. Tämä prosessi parantaa tehokkuutta merkittävästi:

• Tiivis loki: Vähentää pysyvän lokidatan määrää.
• Nopeampi palautuminen: Uudet tai kaatuneet palvelimet voivat vastaanottaa tilannekuvan sen sijaan, että ne toistaisivat koko lokin alusta alkaen.
• InstallSnapshot RPC: Raft määrittelee InstallSnapshot RPC -kutsun tilannekuvien siirtämiseksi johtajalta seuraajille.

Vaikka tilannekuvien ottaminen on tehokasta, se lisää toteutuksen monimutkaisuutta, erityisesti hallittaessa samanaikaista tilannekuvien luontia, lokin katkaisua ja siirtoa.

Raftin toteutus: Käytännön näkökulmia globaaliin käyttöönottoon

Raftin elegantin suunnittelun muuntaminen vankaksi, tuotantovalmiiksi järjestelmäksi, erityisesti globaaleille yleisöille ja monipuoliselle infrastruktuurille, edellyttää useiden käytännön insinöörihaasteiden ratkaisemista.

1. Verkon viive ja osioinnit globaalissa kontekstissa

Globaalisti hajautetuissa järjestelmissä verkon viive on merkittävä tekijä. Raft-klusteri vaatii tyypillisesti enemmistön solmuista sopimaan lokimerkinnästä ennen kuin se voidaan vahvistaa. Mantereiden välille levitetyssä klusterissa solmujen välinen viive voi olla satoja millisekunteja. Tämä vaikuttaa suoraan:

• Vahvistusviive: Aika, joka kuluu asiakaspyynnön vahvistamiseen, voi olla pullonkaulana hitaimman verkkolinkin takia enemmistöön replikoista. Strategiat, kuten vain luku -seuraajat (jotka eivät vaadi johtajan vuorovaikutusta vanhentuneiden lukujen osalta) tai maantieteellisesti tietoinen kvoorumin konfiguraatio (esim. 3 solmua yhdellä alueella, 2 toisella 5 solmun klusterissa, jossa enemmistö voi olla yhdellä nopealla alueella), voivat lieventää tätä.
• Johtajan valinnan nopeus: Suuri viive voi viivästyttää RequestVote RPC -kutsuja, mikä saattaa johtaa useampiin hajaääniin tai pidempiin vaaliaikoihin. Vaalien aikakatkaisujen säätäminen huomattavasti suuremmiksi kuin tyypillinen solmujen välinen viive on ratkaisevan tärkeää.
• Verkko-osiointien käsittely: Todellisen maailman verkot ovat alttiita osioinneille. Raft käsittelee osioinnit oikein varmistamalla, että vain enemmistön palvelimista sisältävä osio voi valita johtajan ja edetä. Vähemmistöosio ei pysty vahvistamaan uusia merkintöjä, mikä estää split-brain-tilanteet. Pitkittyneet osioinnit globaalisti hajautetussa järjestelmässä voivat kuitenkin johtaa saatavuuden puutteeseen tietyillä alueilla, mikä edellyttää huolellisia arkkitehtonisia päätöksiä kvoorumin sijoittelusta.

2. Pysyvä tallennustila ja kestävyys

Raftin oikeellisuus perustuu vahvasti sen lokin ja tilan pysyvyyteen. Ennen kuin palvelin vastaa RPC-kutsuun tai soveltaa merkintää tilakoneeseensa, sen on varmistettava, että asiaankuuluvat tiedot (lokimerkinnät, nykyinen kausi, votedFor) on kirjoitettu vakaaseen tallennustilaan ja fsync'd (huuhdeltu levylle). Tämä estää tietojen menetyksen kaatumistilanteessa. Huomioitavia seikkoja ovat:

• Suorituskyky: Toistuvat levylle kirjoitukset voivat olla suorituskyvyn pullonkaula. Kirjoitusten eräajo ja suorituskykyisten SSD-levyjen käyttö ovat yleisiä optimointeja.
• Luotettavuus: Vankan ja kestävän tallennusratkaisun (paikallinen levy, verkkotallennus, pilvipalvelun lohkotallennus) valinta on kriittistä.
• WAL (Write-Ahead Log): Usein Raft-toteutukset käyttävät write-ahead-lokia kestävyyden varmistamiseksi, samoin kuin tietokannat, varmistaakseen, että muutokset kirjoitetaan levylle ennen niiden soveltamista muistiin.

3. Asiakasvuorovaikutus ja johdonmukaisuusmallit

Asiakkaat ovat vuorovaikutuksessa Raft-klusterin kanssa lähettämällä pyyntöjä johtajalle. Asiakaspyyntöjen käsittelyyn liittyy:

• Johtajan löytäminen: Asiakkaat tarvitsevat mekanismin nykyisen johtajan löytämiseksi. Tämä voi tapahtua palvelun löytämismekanismin kautta, kiinteän päätepisteen kautta, joka ohjaa uudelleen, tai kokeilemalla palvelimia, kunnes yksi vastaa johtajana.
• Pyyntöjen uudelleenyritykset: Asiakkaiden on oltava valmiita yrittämään pyyntöjä uudelleen, jos johtaja vaihtuu tai jos tapahtuu verkkovirhe.
• Lukujen johdonmukaisuus: Raft takaa pääasiassa vahvan johdonmukaisuuden kirjoituksille. Lukuja varten on useita mahdollisia malleja:
  • Vahvasti johdonmukaiset luvut: Asiakas voi pyytää johtajaa varmistamaan, että sen tila on ajan tasalla lähettämällä sydämenlyönnin enemmistölle seuraajistaan ennen luvun palvelemista. Tämä takaa tuoreuden, mutta lisää viivettä.
  • Johtajan vuokrasopimukseen perustuvat luvut (Leader-Lease Reads): Johtaja voi hankkia 'vuokrasopimuksen' enemmistöltä solmuista lyhyeksi ajaksi, jonka aikana se tietää olevansa edelleen johtaja ja voi palvella lukuja ilman uutta konsensusta. Tämä on nopeampaa, mutta aikarajoitettua.
  • Vanhentuneet luvut (seuraajilta): Suoraan seuraajilta lukeminen voi tarjota pienemmän viiveen, mutta riski on vanhentuneen datan lukeminen, jos seuraajan loki on jäljessä johtajasta. Tämä on hyväksyttävää sovelluksissa, joissa lopullinen johdonmukaisuus riittää lukuja varten.

4. Konfiguraatiomuutokset (Klusterin jäsenyys)

Raft-klusterin jäsenyyden muuttaminen (palvelimien lisääminen tai poistaminen) on monimutkainen toimenpide, joka on myös suoritettava konsensuksen kautta epäjohdonmukaisuuksien tai split-brain-tilanteiden välttämiseksi. Raft ehdottaa tekniikkaa nimeltä Yhteinen konsensus (Joint Consensus):

• Kaksi konfiguraatiota: Konfiguraatiomuutoksen aikana järjestelmä toimii väliaikaisesti kahdella päällekkäisellä konfiguraatiolla: vanhalla konfiguraatiolla (C_old) ja uudella konfiguraatiolla (C_new).
• Yhteisen konsensuksen tila (C_old, C_new): Johtaja ehdottaa erityistä lokimerkintää, joka edustaa yhteistä konfiguraatiota. Kun tämä merkintä on vahvistettu (mikä vaatii sopimuksen enemmistöiltä sekä C_old- että C_new-konfiguraatioissa), järjestelmä on siirtymätilassa. Nyt päätökset vaativat enemmistön molemmista konfiguraatioista. Tämä varmistaa, että siirtymän aikana kumpikaan vanha tai uusi konfiguraatio ei voi tehdä päätöksiä yksipuolisesti, estäen eriytymisen.
• Siirtyminen C_new-konfiguraatioon: Kun yhteisen konfiguraation lokimerkintä on vahvistettu, johtaja ehdottaa toista lokimerkintää, joka edustaa vain uutta konfiguraatiota (C_new). Kun tämä toinen merkintä on vahvistettu, vanha konfiguraatio hylätään ja järjestelmä toimii yksinomaan C_new-konfiguraation alla.
• Turvallisuus: Tämä kaksivaiheinen vahvistuksen kaltainen prosessi varmistaa, että missään vaiheessa ei voi tulla valituksi kahta ristiriitaista johtajaa (yksi C_old:n ja yksi C_new:n alla) ja että järjestelmä pysyy toiminnassa koko muutoksen ajan.

Konfiguraatiomuutosten oikea toteuttaminen on yksi Raft-toteutuksen haastavimmista osista lukuisten reunatapausten ja vikatilanteiden vuoksi siirtymätilan aikana.

5. Hajautettujen järjestelmien testaaminen: Tiukka lähestymistapa

Raftin kaltaisen hajautetun konsensusalgoritmin testaaminen on poikkeuksellisen haastavaa sen ei-deterministisen luonteen ja lukuisten vikatilojen vuoksi. Yksinkertaiset yksikkötestit eivät riitä. Tiukka testaus sisältää:

• Vikojen injektointi: Systemaattinen vikojen, kuten solmujen kaatumisten, verkko-osiointien, viestien viiveiden ja viestien uudelleenjärjestelyn, lisääminen. Jepsenin kaltaiset työkalut on suunniteltu erityisesti tähän tarkoitukseen.
• Ominaisuuspohjainen testaus: Invarianttien ja turvallisuusominaisuuksien määrittely (esim. enintään yksi johtaja per kausi, vahvistettuja merkintöjä ei koskaan menetetä) ja sen testaaminen, että toteutus ylläpitää näitä eri olosuhteissa.
• Mallintarkastus: Algoritmin kriittisille osille voidaan käyttää formaaleja verifiointitekniikoita oikeellisuuden todistamiseksi, vaikka tämä onkin erittäin erikoistunutta.
• Simuloidut ympäristöt: Testien ajaminen ympäristöissä, jotka simuloivat globaaleille käyttöönotoille tyypillisiä verkko-olosuhteita (viive, pakettihävikki).

Käyttötapaukset ja sovellukset todellisessa maailmassa

Raftin käytännöllisyys ja ymmärrettävyys ovat johtaneet sen laajaan käyttöönottoon useissa kriittisissä infrastruktuurikomponenteissa:

1. Hajautetut avain-arvo-tietokannat ja tietokantojen replikointi

• etcd: Kubernetesin peruskomponentti etcd käyttää Raftia konfiguraatiodatan, palvelun löytämistietojen tallentamiseen ja replikointiin sekä klusterin tilan hallintaan. Sen luotettavuus on ensisijaisen tärkeää Kubernetesin oikean toiminnan kannalta.
• Consul: HashiCorpin kehittämä Consul käyttää Raftia hajautettuun tallennustaustaansa, mikä mahdollistaa palvelun löytämisen, kuntotarkistukset ja konfiguraation hallinnan dynaamisissa infrastruktuuriympäristöissä.
• TiKV: TiDB:n (hajautettu SQL-tietokanta) käyttämä hajautettu transaktionaalinen avain-arvo-tietokanta toteuttaa Raftin datan replikointia ja johdonmukaisuustakuita varten.
• CockroachDB: Tämä globaalisti hajautettu SQL-tietokanta käyttää Raftia laajasti datan replikointiin useiden solmujen ja maantieteellisten alueiden välillä, varmistaen korkean saatavuuden ja vahvan johdonmukaisuuden jopa koko alueen kattavien vikojen kohdalla.

2. Palvelun löytäminen ja konfiguraation hallinta

Raft tarjoaa ihanteellisen perustan järjestelmille, joiden on tallennettava ja jaettava kriittistä metadataa palveluista ja konfiguraatioista klusterin sisällä. Kun palvelu rekisteröityy tai sen konfiguraatio muuttuu, Raft varmistaa, että kaikki solmut ovat lopulta yhtä mieltä uudesta tilasta, mikä mahdollistaa dynaamiset päivitykset ilman manuaalista väliintuloa.

3. Hajautetut transaktiokoordinaattorit

Järjestelmille, jotka vaativat atomisuutta useiden operaatioiden tai palveluiden välillä, Raft voi toimia hajautettujen transaktiokoordinaattorien perustana, varmistaen että transaktiolokit replikoidaan johdonmukaisesti ennen muutosten vahvistamista osallistujien kesken.

4. Klusterin koordinointi ja johtajan valinta muissa järjestelmissä

Tietokanta- tai avain-arvo-tietokantakäytön lisäksi Raft on usein upotettu kirjastona tai ydinkomponenttina hallitsemaan koordinointitehtäviä, valitsemaan johtajia muille hajautetuille prosesseille tai tarjoamaan luotettavan ohjaustason suuremmissa järjestelmissä. Esimerkiksi monet pilvinatiivit ratkaisut hyödyntävät Raftia ohjaustason komponenttiensa tilan hallintaan.

Raftin edut ja haitat

Vaikka Raft tarjoaa merkittäviä etuja, on tärkeää ymmärtää sen kompromissit.

Edut:

• Ymmärrettävyys: Sen ensisijainen suunnittelutavoite, mikä tekee siitä helpomman toteuttaa, debugata ja ymmärtää kuin vanhemmat konsensusalgoritmit, kuten Paxos.
• Vahva johdonmukaisuus: Tarjoaa vahvat johdonmukaisuustakuut vahvistetuille lokimerkinnöille, varmistaen datan eheyden ja luotettavuuden.
• Vikasietoisuus: Voi sietää vähemmistön solmujen vikaantumisen (enintään (N-1)/2 vikaa N-solmun klusterissa) menettämättä saatavuutta tai johdonmukaisuutta.
• Suorituskyky: Vakaissa olosuhteissa (ei johtajan vaihdoksia) Raft voi saavuttaa suuren läpäisykyvyn, koska johtaja käsittelee kaikki pyynnöt peräkkäin ja replikoi rinnakkain, hyödyntäen verkon kaistanleveyttä tehokkaasti.
• Selkeästi määritellyt roolit: Selkeät roolit (Johtaja, Seuraaja, Ehdokas) ja tilasiirtymät yksinkertaistavat mentaalimallia ja toteutusta.
• Konfiguraatiomuutokset: Tarjoaa vankan mekanismin (Yhteinen konsensus) solmujen turvalliseen lisäämiseen tai poistamiseen klusterista vaarantamatta johdonmukaisuutta.

Haitat:

• Johtajan pullonkaula: Kaikkien asiakkaiden kirjoituspyyntöjen on kuljettava johtajan kautta. Tilanteissa, joissa kirjoitusten läpäisykyky on erittäin suuri tai joissa johtajat ovat maantieteellisesti kaukana asiakkaista, tämä voi muodostua suorituskyvyn pullonkaulaksi.
• Lukujen viive: Vahvasti johdonmukaisten lukujen saavuttaminen vaatii usein viestintää johtajan kanssa, mikä voi lisätä viivettä. Seuraajilta lukeminen sisältää riskin vanhentuneesta datasta.
• Kvoorumivaatimus: Vaatii enemmistön solmuista olevan saatavilla uusien merkintöjen vahvistamiseksi. 5 solmun klusterissa 2 vikaa on siedettävissä. Jos 3 solmua pettää, klusteri tulee saatavuudeltaan kyvyttömäksi kirjoituksille. Tämä voi olla haastavaa erittäin osioituneissa tai maantieteellisesti hajautetuissa ympäristöissä, joissa enemmistön ylläpitäminen alueiden välillä on vaikeaa.
• Verkkoherkkyys: Erittäin herkkä verkon viiveelle ja osioinneille, jotka voivat vaikuttaa vaaliaikoihin ja järjestelmän yleiseen läpäisykykyyn, erityisesti laajalti hajautetuissa käyttöönotoissa.
• Konfiguraatiomuutosten monimutkaisuus: Vaikka Yhteinen konsensus -mekanismi on vankka, se on yksi Raft-algoritmin monimutkaisimmista osista toteuttaa oikein ja testata perusteellisesti.
• Yksi vikaantumispiste (kirjoituksille): Vaikka se on vikasietoinen johtajan vikaantumisen suhteen, jos johtaja on pysyvästi poissa käytöstä eikä uutta johtajaa voida valita (esim. verkko-osiointien tai liian monien vikojen vuoksi), järjestelmä ei voi edetä kirjoitusten kanssa.

Yhteenveto: Hajautetun konsensuksen hallinta kestävissä globaaleissa järjestelmissä

Raft-algoritmi on osoitus harkitun suunnittelun voimasta monimutkaisten ongelmien yksinkertaistamisessa. Sen painotus ymmärrettävyyteen on demokratisoinut hajautetun konsensuksen, antaen laajemmalle joukolle kehittäjiä ja organisaatioita mahdollisuuden rakentaa korkean saatavuuden ja vikasietoisia järjestelmiä sortumatta aiempien lähestymistapojen salaperäiseen monimutkaisuuteen.

Konttiklustereiden orkestroinnista Kubernetesilla (etcd:n kautta) kestävän datan tallennuksen tarjoamiseen globaaleille tietokannoille kuten CockroachDB, Raft on hiljainen työjuhta, joka varmistaa, että digitaalinen maailmamme pysyy johdonmukaisena ja toiminnassa. Raftin toteuttaminen ei ole vähäpätöinen tehtävä, mutta sen määrittelyn selkeys ja sitä ympäröivän ekosysteemin rikkaus tekevät siitä palkitsevan hankkeen niille, jotka ovat sitoutuneet rakentamaan seuraavan sukupolven vankkaa, skaalautuvaa infrastruktuuria.

Toiminnalliset oivallukset kehittäjille ja arkkitehdeille:

• Priorisoi ymmärrys: Ennen toteutusyritystä, investoi aikaa Raftin jokaisen säännön ja tilasiirtymän perusteelliseen ymmärtämiseen. Alkuperäinen artikkeli ja visuaaliset selitykset ovat korvaamattomia resursseja.
• Hyödynnä olemassa olevia kirjastoja: Useimmissa sovelluksissa harkitse hyvin testattujen olemassa olevien Raft-toteutusten (esim. etcd:stä, HashiCorpin Raft-kirjastosta) käyttöä sen sijaan, että rakentaisit alusta alkaen, elleivät vaatimuksesi ole erittäin erikoistuneita tai teet akateemista tutkimusta.
• Tiukka testaus on ehdotonta: Vikojen injektointi, ominaisuuspohjainen testaus ja vikatilanteiden laaja simulointi ovat ensisijaisen tärkeitä mille tahansa hajautetun konsensuksen järjestelmälle. Älä koskaan oleta "se toimii" rikkomatta sitä perusteellisesti.
• Suunnittele globaalia viivettä varten: Kun otat käyttöön globaalisti, harkitse huolellisesti kvoorumisi sijoittelua, verkkotopologiaa ja asiakkaan lukustrategioita optimoidaksesi sekä johdonmukaisuuden että suorituskyvyn eri maantieteellisillä alueilla.
• Pysyvyys ja kestävyys: Varmista, että alla oleva tallennuskerroksesi on vankka ja että fsync tai vastaavia operaatioita käytetään oikein estämään tietojen menetys kaatumistilanteissa.

Hajautettujen järjestelmien jatkaessa kehittymistään Raftin ilmentämät periaatteet – selkeys, vankkuus ja vikasietoisuus – pysyvät luotettavan ohjelmistosuunnittelun kulmakivinä. Hallitsemalla Raftin varustat itsesi tehokkaalla työkalulla rakentaaksesi kestäviä, globaalisti skaalautuvia sovelluksia, jotka kestävät hajautetun tietojenkäsittelyn väistämätöntä kaaosta.