שליטה בקונצנזוס מבוזר: מבט מעמיק על מימוש אלגוריתם Raft למערכות גלובליות

בעולמנו המקושר יותר ויותר, מערכות מבוזרות הן עמוד השדרה של כמעט כל שירות דיגיטלי, מפלטפורמות מסחר אלקטרוני ומוסדות פיננסיים ועד לתשתיות מחשוב ענן וכלי תקשורת בזמן אמת. מערכות אלו מציעות יכולת הרחבה, זמינות וחוסן שאין שני להם על ידי פיזור עומסי עבודה ונתונים על פני מכונות מרובות. עם זאת, עוצמה זו מגיעה עם אתגר משמעותי: הבטחה שכל הרכיבים מסכימים על מצב המערכת, גם מול עיכובים ברשת, כשלים בצמתים ופעולות מקביליות. בעיה בסיסית זו ידועה בשם קונצנזוס מבוזר.

השגת קונצנזוס בסביבה מבוזרת א-סינכרונית ומועדת לכשלים היא מורכבת במיוחד. במשך עשרות שנים, Paxos היה האלגוריתם הדומיננטי לפתרון אתגר זה, נערץ בשל תקינותו התיאורטית אך לעיתים קרובות ספג ביקורת על מורכבותו ועל הקושי במימושו. ואז הגיע Raft, אלגוריתם שתוכנן עם מטרה עיקרית: קלות הבנה. Raft שואף להיות שווה ערך ל-Paxos במונחים של עמידות לתקלות וביצועים, אך בנוי באופן שקל הרבה יותר למפתחים להבין ולבנות עליו.

מדריך מקיף זה צולל לעומק אלגוריתם Raft, ובוחן את עקרונותיו הבסיסיים, מנגנוני הפעולה שלו, שיקולי מימוש מעשיים, ותפקידו החיוני בבניית יישומים חזקים ומבוזרים גלובלית. בין אם אתם אדריכלים מנוסים, מהנדסי מערכות מבוזרות, או מפתחים השואפים לבנות שירותים בזמינות גבוהה, הבנת Raft היא צעד חיוני לקראת שליטה במורכבויות של המחשוב המודרני.

הצורך החיוני בקונצנזוס מבוזר בארכיטקטורות מודרניות

דמיינו פלטפורמת מסחר אלקטרוני גלובלית המעבדת מיליוני עסקאות בשנייה. נתוני לקוחות, רמות מלאי, סטטוסי הזמנות—כל אלה חייבים להישאר עקביים על פני מרכזי נתונים רבים הפרוסים ביבשות. ספר החשבונות של מערכת בנקאית, הפרוס על פני שרתים מרובים, אינו יכול להרשות לעצמו אפילו אי-הסכמה רגעית על יתרת חשבון. תרחישים אלה מדגישים את החשיבות הקריטית של קונצנזוס מבוזר.

האתגרים הטבועים במערכות מבוזרות

מערכות מבוזרות, מטבען, מציגות שלל אתגרים שאינם קיימים ביישומים מונוליתיים. הבנת אתגרים אלה חיונית להערכת האלגנטיות וההכרחיות של אלגוריתמים כמו Raft:

• כשלים חלקיים: בניגוד לשרת יחיד שפועל או נכשל לחלוטין, במערכת מבוזרת חלק מהצמתים יכולים להיכשל בעוד אחרים ממשיכים לפעול. שרת עלול לקרוס, חיבור הרשת שלו עלול להתנתק, או הדיסק שלו עלול להישחת, כל זאת בזמן ששאר חברי האשכול נשארים פונקציונליים. המערכת חייבת להמשיך לפעול כראוי למרות כשלים חלקיים אלה.
• מחיצות רשת (Network Partitions): הרשת המחברת בין הצמתים אינה תמיד אמינה. מחיצת רשת מתרחשת כאשר התקשורת בין תת-קבוצות של צמתים נותקת, מה שגורם להן להיראות כאילו צמתים מסוימים נכשלו, גם אם הם עדיין פועלים. פתרון תרחישי "מוח חצוי" (split-brain) אלה, שבהם חלקים שונים של המערכת פועלים באופן עצמאי על בסיס מידע מיושן או לא עקבי, הוא בעיית קונצנזוס מרכזית.
• תקשורת א-סינכרונית: הודעות בין צמתים עלולות להתעכב, להגיע בסדר שונה, או ללכת לאיבוד לחלוטין. אין שעון גלובלי או ערובה לגבי זמני מסירת הודעות, מה שמקשה על קביעת סדר אירועים עקבי או מצב מערכת מוחלט.
• מקביליות: צמתים מרובים עשויים לנסות לעדכן את אותו קטע נתונים או ליזום פעולות בו-זמנית. ללא מנגנון לתיאום פעולות אלה, קונפליקטים ואי-עקביויות הם בלתי נמנעים.
• זמן השהיה (Latency) בלתי צפוי: במיוחד בפריסות מבוזרות גלובלית, זמן ההשהיה של הרשת יכול להשתנות באופן משמעותי. פעולות שהן מהירות באזור אחד עשויות להיות איטיות באחר, מה שמשפיע על תהליכי קבלת החלטות ותיאום.

מדוע קונצנזוס הוא אבן הפינה של האמינות

אלגוריתמי קונצנזוס מספקים אבן בניין בסיסית לפתרון אתגרים אלה. הם מאפשרים לאוסף של רכיבים לא אמינים לפעול יחד כיחידה אחת, אמינה מאוד וקוהרנטית. באופן ספציפי, קונצנזוס מסייע להשיג:

• שכפול מכונת מצבים (SMR): הרעיון המרכזי מאחורי מערכות מבוזרות רבות העמידות לתקלות. אם כל הצמתים מסכימים על סדר הפעולות, ואם כל צומת מתחיל באותו מצב התחלתי ומבצע את הפעולות באותו סדר, אז כל הצמתים יגיעו לאותו מצב סופי. קונצנזוס הוא המנגנון להסכמה על סדר פעולות גלובלי זה.
• זמינות גבוהה: על ידי כך שהוא מאפשר למערכת להמשיך לפעול גם אם מיעוט מהצמתים נכשל, קונצנזוס מבטיח שהשירותים יישארו נגישים ופונקציונליים, וממזער את זמן ההשבתה.
• עקביות נתונים: הוא מבטיח שכל העותקים של הנתונים יישארו מסונכרנים, מונע עדכונים סותרים ומבטיח שלקוחות תמיד יקראו את המידע המעודכן והנכון ביותר.
• עמידות לתקלות: המערכת יכולה לסבול מספר מסוים של כשלי צמתים שרירותיים (בדרך כלל כשלי קריסה) ולהמשיך להתקדם ללא התערבות אנושית.

היכרות עם Raft: גישה מובנת לקונצנזוס

Raft צמח מהעולם האקדמי עם מטרה ברורה: להפוך את הקונצנזוס המבוזר לנגיש. מחבריו, דייגו אונגרו וג'ון אוסטרהאוט, תכננו את Raft במפורש למען קלות ההבנה, במטרה לאפשר אימוץ נרחב יותר ומימוש נכון של אלגוריתמי קונצנזוס.

פילוסופיית התכנון המרכזית של Raft: קלות הבנה תחילה

Raft מפרק את בעיית הקונצנזוס המורכבת למספר תת-בעיות עצמאיות יחסית, שלכל אחת מהן מערכת חוקים והתנהגויות ספציפית משלה. מודולריות זו מסייעת משמעותית להבנה. עקרונות התכנון המרכזיים כוללים:

• גישה ממוקדת-מנהיג: בניגוד לאלגוריתמי קונצנזוס אחרים שבהם כל הצמתים משתתפים באופן שווה בקבלת החלטות, Raft ממנה מנהיג יחיד. המנהיג אחראי על ניהול הלוג המשוכפל ותיאום כל בקשות הלקוח. הדבר מפשט את ניהול הלוג ומפחית את מורכבות האינטראקציות בין הצמתים.
• מנהיג חזק: המנהיג הוא הסמכות העליונה להצעת רשומות לוג חדשות ולקביעה מתי הן מחויבות (committed). העוקבים משכפלים באופן פסיבי את הלוג של המנהיג ומגיבים לבקשותיו.
• בחירות דטרמיניסטיות: Raft משתמש בפסק זמן בחירות אקראי כדי להבטיח שבדרך כלל רק מועמד אחד יתגלה כמנהיג בקדנציית בחירות נתונה.
• עקביות הלוג: Raft אוכף תכונות עקביות חזקות על הלוג המשוכפל שלו, ומבטיח שרשומות מחויבות לעולם לא יבוטלו ושכל הרשומות המחויבות יופיעו בסופו של דבר בכל הצמתים הזמינים.

השוואה קצרה ל-Paxos

לפני Raft, Paxos היה התקן דה-פקטו לקונצנזוס מבוזר. למרות עוצמתו, Paxos ידוע לשמצה כקשה להבנה ולמימוש נכון. התכנון שלו, המפריד בין תפקידים (מציע, מקבל, לומד) ומאפשר למנהיגים מרובים להתקיים במקביל (אם כי רק אחד יכול לחייב ערך), יכול להוביל לאינטראקציות מורכבות ולמקרי קצה.

Raft, לעומת זאת, מפשט את מרחב המצבים. הוא אוכף מודל מנהיג חזק, שבו המנהיג אחראי לכל שינויי הלוג. הוא מגדיר בבירור תפקידים (מנהיג, עוקב, מועמד) ומעברים ביניהם. מבנה זה הופך את התנהגות Raft לאינטואיטיבית יותר וקלה יותר להסקה, מה שמוביל לפחות באגים במימוש ולמחזורי פיתוח מהירים יותר. מערכות רבות בעולם האמיתי שהתקשו תחילה עם Paxos מצאו הצלחה באימוץ Raft.

שלושת התפקידים הבסיסיים ב-Raft

בכל רגע נתון, כל שרת באשכול Raft נמצא באחד משלושה מצבים: מנהיג (Leader), עוקב (Follower), או מועמד (Candidate). תפקידים אלה הם בלעדיים ודינמיים, כאשר שרתים עוברים ביניהם על בסיס חוקים ואירועים ספציפיים.

1. עוקב (Follower)

• תפקיד פסיבי: עוקבים הם המצב הפסיבי ביותר ב-Raft. הם פשוט מגיבים לבקשות ממנהיגים ומועמדים.
• קבלת פעימות לב (Heartbeats): עוקב מצפה לקבל פעימות לב (קריאות RPC ריקות מסוג AppendEntries) מהמנהיג במרווחי זמן קבועים. אם עוקב לא מקבל פעימת לב או RPC מסוג AppendEntries בתוך פרק זמן מסוים של election timeout (פסק זמן לבחירות), הוא מניח שהמנהיג נכשל ועובר למצב מועמד.
• הצבעה: במהלך בחירות, עוקב יצביע עבור מועמד אחד לכל היותר בכל קדנציה.
• שכפול לוג: עוקבים משרשרים רשומות לוג ללוג המקומי שלהם לפי הנחיות המנהיג.

2. מועמד (Candidate)

• ייזום בחירות: כאשר פסק הזמן של עוקב מסתיים (הוא לא שומע מהמנהיג), הוא עובר למצב מועמד כדי ליזום בחירות חדשות.
• הצבעה עצמית: מועמד מגדיל את הקדנציה הנוכחית שלו, מצביע לעצמו, ושולח קריאות RPC מסוג RequestVote לכל השרתים האחרים באשכול.
• ניצחון בבחירות: אם מועמד מקבל קולות מרוב השרתים באשכול עבור אותה קדנציה, הוא עובר למצב מנהיג.
• נסיגה: אם מועמד מגלה שרת אחר עם קדנציה גבוהה יותר, או אם הוא מקבל RPC מסוג AppendEntries ממנהיג לגיטימי, הוא חוזר למצב עוקב.

3. מנהיג (Leader)

• סמכות בלעדית: יש רק מנהיג אחד באשכול Raft בכל זמן נתון (עבור קדנציה נתונה). המנהיג אחראי לכל האינטראקציות עם הלקוחות, שכפול הלוג והבטחת העקביות.
• שליחת פעימות לב: המנהיג שולח מעת לעת קריאות RPC מסוג AppendEntries (פעימות לב) לכל העוקבים כדי לשמור על סמכותו ולמנוע בחירות חדשות.
• ניהול לוג: המנהיג מקבל בקשות מלקוחות, משרשר רשומות לוג חדשות ללוג המקומי שלו, ואז משכפל רשומות אלה לכל העוקבים.
• התחייבות (Commitment): המנהיג מחליט מתי רשומה שוכפלה בבטחה לרוב השרתים וניתן לחייב אותה למכונת המצבים.
• נסיגה: אם המנהיג מגלה שרת עם קדנציה גבוהה יותר, הוא פורש מיד וחוזר למצב עוקב. זה מבטיח שהמערכת תמיד תתקדם עם הקדנציה הגבוהה ביותר הידועה.

שלבי הפעולה של Raft: סקירה מפורטת

Raft פועל באמצעות מחזור מתמשך של בחירת מנהיג ושכפול לוג. שני מנגנונים עיקריים אלה, לצד תכונות בטיחות חיוניות, מבטיחים שהאשכול ישמור על עקביות ועמידות לתקלות.

1. בחירת מנהיג (Leader Election)

תהליך בחירת המנהיג הוא בסיסי לפעולת Raft, ומבטיח שלאשכול תמיד יהיה צומת יחיד וסמכותי שיתאם את הפעולות.

• פסק זמן לבחירות: כל עוקב מנהל פסק זמן לבחירות אקראי (בדרך כלל 150-300 מילישניות). אם עוקב לא מקבל כל תקשורת (פעימת לב או RPC של AppendEntries) מהמנהיג הנוכחי בתוך פרק זמן זה, הוא מניח שהמנהיג נכשל או שהתרחשה מחיצת רשת.
• מעבר למועמד: עם תום פסק הזמן, העוקב עובר למצב מועמד. הוא מגדיל את הקדנציה הנוכחית שלו, מצביע לעצמו, ומאפס את טיימר הבחירות שלו.
• RPC של RequestVote: המועמד שולח קריאות RPC מסוג RequestVote לכל השרתים האחרים באשכול. RPC זה כולל את הקדנציה הנוכחית של המועמד, את מזהה המועמד שלו, ומידע על אינדקס הלוג האחרון וקדנציית הלוג האחרונה שלו (יותר על חשיבותם לבטיחות בהמשך).
• כללי הצבעה: שרת יעניק את קולו למועמד אם:
  1. הקדנציה הנוכחית שלו נמוכה או שווה לקדנציה של המועמד.
  2. הוא עדיין לא הצביע למועמד אחר בקדנציה הנוכחית.
  3. הלוג של המועמד מעודכן לפחות כמו שלו. זה נקבע על ידי השוואת קדנציית הלוג האחרונה תחילה, ואז אינדקס הלוג האחרון אם הקדנציות זהות. מועמד נחשב "מעודכן" אם הלוג שלו מכיל את כל הרשומות המחויבות שהלוג של המצביע מכיל. זה ידוע בשם הגבלת הבחירות והוא קריטי לבטיחות.
• ניצחון בבחירות: מועמד הופך למנהיג החדש אם הוא מקבל קולות מרוב השרתים באשכול עבור אותה קדנציה. לאחר בחירתו, המנהיג החדש שולח מיד קריאות RPC מסוג AppendEntries (פעימות לב) לכל השרתים האחרים כדי לבסס את סמכותו ולמנוע בחירות חדשות.
• קולות מפוצלים וניסיונות חוזרים: ייתכן שיופיעו מספר מועמדים בו-זמנית, מה שיוביל לפיצול קולות שבו אף מועמד לא משיג רוב. כדי לפתור זאת, לכל מועמד יש פסק זמן בחירות אקראי. אם פסק הזמן של מועמד מסתיים מבלי לנצח בבחירות או לשמוע ממנהיג חדש, הוא מגדיל את הקדנציה שלו ומתחיל בחירות חדשות. האקראיות מסייעת להבטיח שפיצולי קולות הם נדירים ונפתרים במהירות.
• גילוי קדנציות גבוהות יותר: אם מועמד (או כל שרת) מקבל RPC עם קדנציה גבוהה יותר מהקדנציה הנוכחית שלו, הוא מעדכן מיד את הקדנציה הנוכחית שלו לערך הגבוה יותר וחוזר למצב עוקב. זה מבטיח ששרת עם מידע מיושן לעולם לא ינסה להפוך למנהיג או להפריע למנהיג לגיטימי.

2. שכפול לוג (Log Replication)

לאחר שנבחר מנהיג, אחריותו העיקרית היא לנהל את הלוג המשוכפל ולהבטיח עקביות ברחבי האשכול. זה כולל קבלת פקודות מלקוחות, שרשורן ללוג שלו, ושכפולן לעוקבים.

• בקשות לקוח: כל בקשות הלקוח (פקודות שיש לבצע על ידי מכונת המצבים) מופנות למנהיג. אם לקוח פונה לעוקב, העוקב מפנה את הבקשה למנהיג הנוכחי.
• שרשור ללוג המנהיג: כאשר המנהיג מקבל פקודת לקוח, הוא משרשר את הפקודה כרשומת לוג חדשה ללוג המקומי שלו. כל רשומת לוג מכילה את הפקודה עצמה, את הקדנציה שבה היא התקבלה, ואת אינדקס הלוג שלה.
• RPC של AppendEntries: המנהיג שולח קריאות RPC מסוג AppendEntries לכל העוקבים, ומבקש מהם לשרשר את רשומת הלוג החדשה (או אצווה של רשומות) ללוגים שלהם. קריאות RPC אלו כוללות:
  • term: הקדנציה הנוכחית של המנהיג.
  • leaderId: מזהה המנהיג (כדי שהעוקבים יוכלו להפנות לקוחות).
  • prevLogIndex: האינדקס של רשומת הלוג הקודמת מיד לרשומות החדשות.
  • prevLogTerm: הקדנציה של הרשומה ב-prevLogIndex. שני אלה (prevLogIndex, prevLogTerm) חיוניים לתכונת התאמת הלוג.
  • entries[]: רשומות הלוג לאחסון (ריק עבור פעימות לב).
  • leaderCommit: אינדקס המחויבות (commitIndex) של המנהיג (האינדקס של רשומת הלוג הגבוהה ביותר הידועה כמחויבת).
• בדיקת עקביות (תכונת התאמת הלוג): כאשר עוקב מקבל RPC מסוג AppendEntries, הוא מבצע בדיקת עקביות. הוא מוודא אם הלוג שלו מכיל רשומה ב-prevLogIndex עם קדנציה התואמת ל-prevLogTerm. אם בדיקה זו נכשלת, העוקב דוחה את ה-RPC של AppendEntries, ומודיע למנהיג שהלוג שלו אינו עקבי.
• פתרון אי-עקביויות: אם עוקב דוחה RPC מסוג AppendEntries, המנהיג מקטין את nextIndex עבור אותו עוקב ומנסה שוב את ה-RPC. nextIndex הוא האינדקס של רשומת הלוג הבאה שהמנהיג ישלח לעוקב מסוים. תהליך זה ממשיך עד ש-nextIndex מגיע לנקודה שבה הלוגים של המנהיג והעוקב תואמים. לאחר שנמצאה התאמה, העוקב יכול לקבל רשומות לוג עוקבות, ובסופו של דבר להפוך את הלוג שלו לעקבי עם זה של המנהיג.
• חיוב רשומות: רשומה נחשבת מחויבת (committed) כאשר המנהיג שכפל אותה בהצלחה לרוב השרתים (כולל עצמו). לאחר שהיא מחויבת, ניתן ליישם את הרשומה על מכונת המצבים המקומית. המנהיג מעדכן את אינדקס המחויבות שלו וכולל זאת בקריאות AppendEntries עוקבות כדי ליידע את העוקבים על רשומות מחויבות. עוקבים מעדכנים את אינדקס המחויבות שלהם על בסיס leaderCommit של המנהיג ומיישמים רשומות עד לאינדקס זה במכונת המצבים שלהם.
• תכונת שלמות המנהיג: Raft מבטיח שאם רשומת לוג מחויבת בקדנציה נתונה, אז כל המנהיגים העוקבים חייבים גם הם להחזיק ברשומת לוג זו. תכונה זו נאכפת על ידי הגבלת הבחירות: מועמד יכול לנצח בבחירות רק אם הלוג שלו מעודכן לפחות כמו רוב השרתים האחרים. זה מונע ממנהיג להיבחר שעלול לדרוס או להחמיץ רשומות מחויבות.

3. תכונות בטיחות והתחייבויות

החוסן של Raft נובע ממספר תכונות בטיחות שתוכננו בקפידה כדי למנוע אי-עקביויות ולהבטיח את שלמות הנתונים:

• בטיחות בבחירות: לכל היותר מנהיג אחד יכול להיבחר בקדנציה נתונה. זה נאכף על ידי מנגנון ההצבעה שבו עוקב מעניק לכל היותר קול אחד לקדנציה ומועמד זקוק לרוב הקולות.
• שלמות המנהיג: אם רשומת לוג חויבה בקדנציה נתונה, אז רשומה זו תהיה נוכחת בלוגים של כל המנהיגים העוקבים. זה חיוני למניעת אובדן נתונים מחויבים ומובטח בעיקר על ידי הגבלת הבחירות.
• תכונת התאמת הלוג: אם שני לוגים מכילים רשומה עם אותו אינדקס וקדנציה, אז הלוגים זהים בכל הרשומות הקודמות. זה מפשט את בדיקות עקביות הלוג ומאפשר למנהיג לעדכן ביעילות את הלוגים של העוקבים.
• בטיחות ההתחייבות: ברגע שרשומה מחויבת, היא לעולם לא תבוטל או תידרס. זו תוצאה ישירה של תכונות שלמות המנהיג והתאמת הלוג. ברגע שרשומה מחויבת, היא נחשבת מאוחסנת לצמיתות.

מושגי מפתח ומנגנונים ב-Raft

מעבר לתפקידים ולשלבי הפעולה, Raft נשען על מספר מושגי ליבה לניהול מצב והבטחת נכונות.

1. קדנציות (Terms)

קדנציה ב-Raft היא מספר שלם עולה ברציפות. היא פועלת כשעון לוגי עבור האשכול. כל קדנציה מתחילה בבחירות, ואם הבחירות מוצלחות, נבחר מנהיג יחיד עבור אותה קדנציה. קדנציות הן קריטיות לזיהוי מידע מיושן ולהבטחה ששרתים תמיד יצייתו למידע המעודכן ביותר:

• שרתים מחליפים את הקדנציה הנוכחית שלהם בכל קריאות ה-RPC.
• אם שרת מגלה שרת אחר עם קדנציה גבוהה יותר, הוא מעדכן את הקדנציה הנוכחית שלו וחוזר למצב עוקב.
• אם מועמד או מנהיג מגלה שהקדנציה שלו מיושנת (נמוכה מקדנציה של שרת אחר), הוא פורש מיד.

2. רשומות לוג (Log Entries)

ה-לוג הוא הרכיב המרכזי של Raft. זהו רצף מסודר של רשומות, כאשר כל רשומת לוג מייצגת פקודה שיש לבצע על ידי מכונת המצבים. כל רשומה מכילה:

• פקודה: הפעולה הממשית שיש לבצע (למשל, "set x=5", "create user").
• קדנציה: הקדנציה שבה נוצרה הרשומה על המנהיג.
• אינדקס: מיקום הרשומה בלוג. רשומות הלוג מסודרות בקפדנות לפי אינדקס.

הלוג הוא עמיד (persistent), כלומר רשומות נכתבות לאחסון יציב לפני מתן תגובה ללקוחות, מה שמגן מפני אובדן נתונים במהלך קריסות.

3. מכונת מצבים (State Machine)

כל שרת באשכול Raft מתחזק מכונת מצבים. זהו רכיב ספציפי ליישום המעבד רשומות לוג מחויבות. כדי להבטיח עקביות, מכונת המצבים חייבת להיות דטרמיניסטית (בהינתן אותו מצב התחלתי ורצף פקודות, היא תמיד תפיק את אותו פלט ואותו מצב סופי) ואידמפוטנטית (יישום אותה פקודה מספר פעמים מפיק אותה תוצאה כמו יישום חד-פעמי, מה שמסייע בטיפול חינני בניסיונות חוזרים, אם כי מנגנון ההתחייבות של Raft מבטיח במידה רבה יישום יחיד).

4. אינדקס המחויבות (Commit Index)

אינדקס המחויבות (commitIndex) הוא אינדקס רשומת הלוג הגבוה ביותר שידוע כמחויב. זה אומר שהוא שוכפל בבטחה לרוב השרתים וניתן ליישם אותו על מכונת המצבים. מנהיגים קובעים את אינדקס המחויבות, ועוקבים מעדכנים את שלהם על בסיס קריאות ה-RPC של AppendEntries מהמנהיג. כל הרשומות עד אינדקס המחויבות נחשבות קבועות ולא ניתנות לביטול.

5. תמונות מצב (Snapshots)

עם הזמן, הלוג המשוכפל יכול לגדול מאוד, לצרוך שטח דיסק משמעותי ולהפוך את שכפול הלוג והשחזור לאיטיים. Raft מתמודד עם זה באמצעות תמונות מצב. תמונת מצב היא ייצוג קומפקטי של מצב מכונת המצבים בנקודת זמן מסוימת. במקום לשמור את כל הלוג, שרתים יכולים מעת לעת "לצלם" את המצב שלהם, למחוק את כל רשומות הלוג עד לנקודת תמונת המצב, ולאחר מכן לשכפל את תמונת המצב לעוקבים חדשים או מפגרים. תהליך זה משפר משמעותית את היעילות:

• לוג קומפקטי: מפחית את כמות נתוני הלוג העמידים.
• שחזור מהיר יותר: שרתים חדשים או שקרסו יכולים לקבל תמונת מצב במקום להריץ מחדש את כל הלוג מההתחלה.
• RPC של InstallSnapshot: Raft מגדיר RPC בשם InstallSnapshot להעברת תמונות מצב מהמנהיג לעוקבים.

למרות יעילותה, יצירת תמונות מצב מוסיפה מורכבות למימוש, במיוחד בניהול יצירת תמונות מצב מקביליות, קיצוץ לוג והעברה.

מימוש Raft: שיקולים מעשיים לפריסה גלובלית

תרגום העיצוב האלגנטי של Raft למערכת חזקה ומוכנה לייצור, במיוחד עבור קהלים גלובליים ותשתיות מגוונות, כרוך בהתמודדות עם מספר אתגרים הנדסיים מעשיים.

1. זמן השהיה ומחיצות רשת בהקשר גלובלי

עבור מערכות מבוזרות גלובלית, זמן ההשהיה של הרשת הוא גורם משמעותי. אשכול Raft דורש בדרך כלל רוב של צמתים כדי להסכים על רשומת לוג לפני שניתן לחייב אותה. באשכול הפרוס על פני יבשות, זמן ההשהיה בין צמתים יכול להיות מאות מילישניות. זה משפיע ישירות על:

• זמן השהיית ההתחייבות (Commit Latency): הזמן שלוקח לבקשת לקוח להתחייב יכול להוות צוואר בקבוק עקב הקישור הרשתי האיטי ביותר לרוב העותקים. אסטרטגיות כמו עוקבים לקריאה בלבד (שאינם דורשים אינטראקציה עם המנהיג לקריאות לא עדכניות) או תצורת קוורום מודעת גיאוגרפית (למשל, 3 צמתים באזור אחד, 2 באחר עבור אשכול של 5 צמתים, כאשר רוב עשוי להיות בתוך אזור מהיר יחיד) יכולות להקל על כך.
• מהירות בחירת המנהיג: זמן השהיה גבוה יכול לעכב קריאות RPC של RequestVote, מה שעלול להוביל לפיצולי קולות תכופים יותר או לזמני בחירות ארוכים יותר. התאמת פסקי הזמן לבחירות כך שיהיו גדולים משמעותית מזמן ההשהיה הטיפוסי בין צמתים היא חיונית.
• טיפול במחיצות רשת: רשתות בעולם האמיתי מועדות למחיצות. Raft מטפל במחיצות כראוי על ידי הבטחה שרק המחיצה המכילה רוב של שרתים יכולה לבחור מנהיג ולהתקדם. המחיצה של המיעוט לא תוכל לחייב רשומות חדשות, ובכך למנוע תרחישי מוח חצוי. עם זאת, מחיצות ממושכות במערך מבוזר גלובלית עלולות להוביל לחוסר זמינות באזורים מסוימים, מה שמחייב החלטות ארכיטקטוניות זהירות לגבי מיקום הקוורום.

2. אחסון עמיד ועמידות

הנכונות של Raft נשענת במידה רבה על העמידות של הלוג והמצב שלו. לפני ששרת מגיב ל-RPC או מיישם רשומה על מכונת המצבים שלו, עליו להבטיח שהנתונים הרלוונטיים (רשומות לוג, קדנציה נוכחית, votedFor) נכתבו לאחסון יציב ועברו סנכרון לדיסק (fsync). זה מונע אובדן נתונים במקרה של קריסה. שיקולים כוללים:

• ביצועים: כתיבות דיסק תכופות יכולות להוות צוואר בקבוק בביצועים. אצווה של כתיבות ושימוש בכונני SSD בעלי ביצועים גבוהים הם אופטימיזציות נפוצות.
• אמינות: בחירת פתרון אחסון חזק ועמיד (דיסק מקומי, אחסון מחובר לרשת, אחסון בלוקים בענן) היא קריטית.
• WAL (Write-Ahead Log): לעיתים קרובות, מימושי Raft משתמשים בלוג כתיבה-מקדימה לעמידות, בדומה למסדי נתונים, כדי להבטיח ששינויים נכתבים לדיסק לפני שהם מיושמים בזיכרון.

3. אינטראקציה עם לקוחות ומודלי עקביות

לקוחות מקיימים אינטראקציה עם אשכול Raft על ידי שליחת בקשות למנהיג. טיפול בבקשות לקוח כולל:

• גילוי מנהיג: לקוחות צריכים מנגנון למצוא את המנהיג הנוכחי. זה יכול להיות באמצעות מנגנון גילוי שירותים, נקודת קצה קבועה שמפנה, או על ידי ניסיון לפנות לשרתים עד שאחד מגיב כמנהיג.
• ניסיונות חוזרים לבקשות: לקוחות חייבים להיות מוכנים לנסות שוב בקשות אם המנהיג משתנה או אם מתרחשת שגיאת רשת.
• עקביות קריאה: Raft מבטיח בעיקר עקביות חזקה עבור כתיבות. עבור קריאות, קיימים מספר מודלים אפשריים:
  • קריאות עקביות חזקה: לקוח יכול לבקש מהמנהיג להבטיח שהמצב שלו מעודכן על ידי שליחת פעימת לב לרוב העוקבים שלו לפני הגשת קריאה. זה מבטיח טריות אך מוסיף זמן השהיה.
  • קריאות מבוססות חכירת מנהיג (Leader-Lease): המנהיג יכול לרכוש 'חכירה' מרוב הצמתים לפרק זמן קצר, שבמהלכו הוא יודע שהוא עדיין המנהיג ויכול להגיש קריאות ללא צורך בקונצנזוס נוסף. זה מהיר יותר אך מוגבל בזמן.
  • קריאות לא עדכניות (מעוקבים): קריאה ישירה מעוקבים יכולה להציע זמן השהיה נמוך יותר אך מסכנת קריאת נתונים לא עדכניים אם הלוג של העוקב מפגר אחרי המנהיג. זה מקובל עבור יישומים שבהם עקביות בסופו של דבר מספיקה לקריאות.

4. שינויי תצורה (חברות באשכול)

שינוי החברות באשכול Raft (הוספה או הסרה של שרתים) הוא פעולה מורכבת שחייבת להתבצע גם היא באמצעות קונצנזוס כדי למנוע אי-עקביויות או תרחישי מוח חצוי. Raft מציע טכניקה הנקראת קונצנזוס משותף (Joint Consensus):

• שתי תצורות: במהלך שינוי תצורה, המערכת פועלת באופן זמני עם שתי תצורות חופפות: התצורה הישנה (C_old) והתצורה החדשה (C_new).
• מצב קונצנזוס משותף (C_old, C_new): המנהיג מציע רשומת לוג מיוחדת המייצגת את התצורה המשותפת. ברגע שרשומה זו מחויבת (מה שדורש הסכמה מרוב בשתי התצורות, C_old ו-C_new), המערכת נמצאת במצב מעבר. כעת, החלטות דורשות רוב משתי התצורות. זה מבטיח שבמהלך המעבר, לא התצורה הישנה ולא החדשה יכולות לקבל החלטות באופן חד-צדדי, מה שמונע סטייה.
• מעבר ל-C_new: לאחר שרשומת הלוג של התצורה המשותפת מחויבת, המנהיג מציע רשומת לוג נוספת המייצגת רק את התצורה החדשה (C_new). ברגע שרשומה שנייה זו מחויבת, התצורה הישנה נמחקת, והמערכת פועלת אך ורק תחת C_new.
• בטיחות: תהליך דו-שלבי זה, דמוי commit, מבטיח שבשום שלב לא יכולים להיבחר שני מנהיגים סותרים (אחד תחת C_old, אחד תחת C_new) ושהמערכת נשארת פעילה לאורך כל השינוי.

מימוש נכון של שינויי תצורה הוא אחד החלקים המאתגרים ביותר במימוש Raft בשל מקרי הקצה ותרחישי הכשל הרבים במהלך מצב המעבר.

5. בדיקת מערכות מבוזרות: גישה קפדנית

בדיקת אלגוריתם קונצנזוס מבוזר כמו Raft היא מאתגרת במיוחד בשל טבעו הלא-דטרמיניסטי והריבוי של מצבי כשל. בדיקות יחידה פשוטות אינן מספיקות. בדיקות קפדניות כוללות:

• הזרקת תקלות (Fault Injection): הכנסה שיטתית של כשלים כמו קריסות צמתים, מחיצות רשת, עיכובים בהודעות ושינוי סדר הודעות. כלים כמו Jepsen תוכננו במיוחד למטרה זו.
• בדיקות מבוססות תכונות (Property-Based Testing): הגדרת אינווריאנטים ותכונות בטיחות (למשל, לכל היותר מנהיג אחד לקדנציה, רשומות מחויבות לעולם לא אובדות) ובדיקה שהמימוש שומר עליהן בתנאים שונים.
• בדיקת מודל (Model Checking): עבור חלקים קריטיים של האלגוריתם, ניתן להשתמש בטכניקות אימות פורמליות להוכחת נכונות, אם כי זהו תחום מומחיות גבוה.
• סביבות מדומה: הרצת בדיקות בסביבות המדמות תנאי רשת (השהיה, אובדן מנות) האופייניים לפריסות גלובליות.

מקרי שימוש ויישומים בעולם האמיתי

המעשיות וההבנתיות של Raft הובילו לאימוצו הנרחב במגוון רכיבי תשתית קריטיים:

1. מאגרי מפתח-ערך מבוזרים ושכפול מסדי נתונים

• etcd: רכיב יסוד של Kubernetes, etcd משתמש ב-Raft לאחסון ושכפול נתוני תצורה, מידע גילוי שירותים, וניהול מצב האשכול. אמינותו חיונית לתפקודו התקין של Kubernetes.
• Consul: פותח על ידי HashiCorp, Consul משתמש ב-Raft עבור שכבת האחסון המבוזרת שלו, ומאפשר גילוי שירותים, בדיקות בריאות וניהול תצורה בסביבות תשתית דינמיות.
• TiKV: מאגר המפתח-ערך הטרנזקציונלי המבוזר המשמש את TiDB (מסד נתונים SQL מבוזר) מיישם את Raft עבור שכפול הנתונים והבטחות העקביות שלו.
• CockroachDB: מסד נתונים SQL מבוזר גלובלית זה משתמש ב-Raft באופן נרחב לשכפול נתונים על פני צמתים ואזורים גיאוגרפיים מרובים, ומבטיח זמינות גבוהה ועקביות חזקה גם מול כשלים אזוריים.

2. גילוי שירותים וניהול תצורה

Raft מספק בסיס אידיאלי למערכות שצריכות לאחסן ולהפיץ מטא-דאטה קריטי על שירותים ותצורות ברחבי אשכול. כאשר שירות נרשם או התצורה שלו משתנה, Raft מבטיח שכל הצמתים יסכימו בסופו של דבר על המצב החדש, ומאפשר עדכונים דינמיים ללא התערבות ידנית.

3. רכזי טרנזקציות מבוזרות

עבור מערכות הדורשות אטומיות על פני מספר פעולות או שירותים, Raft יכול להוות בסיס לרכזי טרנזקציות מבוזרות, ולהבטיח שלוגי הטרנזקציות ישוכפלו בעקביות לפני התחייבות לשינויים בין המשתתפים.

4. תיאום אשכולות ובחירת מנהיג במערכות אחרות

מעבר לשימוש מפורש במסדי נתונים או מאגרי מפתח-ערך, Raft מוטמע לעיתים קרובות כספרייה או רכיב ליבה לניהול משימות תיאום, בחירת מנהיגים לתהליכים מבוזרים אחרים, או לספק מישור בקרה אמין במערכות גדולות יותר. לדוגמה, פתרונות רבים מבוססי ענן (cloud-native) ממנפים את Raft לניהול המצב של רכיבי מישור הבקרה שלהם.

יתרונות וחסרונות של Raft

בעוד Raft מציע יתרונות משמעותיים, חיוני להבין את הפשרות הכרוכות בו.

יתרונות:

• קלות הבנה: מטרת התכנון העיקרית שלו, מה שהופך אותו לקל יותר למימוש, ניפוי באגים והסקה מאשר אלגוריתמי קונצנזוס ישנים כמו Paxos.
• עקביות חזקה: מספק הבטחות עקביות חזקה עבור רשומות לוג מחויבות, מה שמבטיח שלמות נתונים ואמינות.
• עמידות לתקלות: יכול לסבול כשל של מיעוט צמתים (עד (N-1)/2 כשלים באשכול של N צמתים) מבלי לאבד זמינות או עקביות.
• ביצועים: בתנאים יציבים (ללא החלפת מנהיג), Raft יכול להשיג תפוקה גבוהה מכיוון שהמנהיג מעבד את כל הבקשות באופן סדרתי ומשכפל במקביל, וממנף את רוחב הפס של הרשת ביעילות.
• תפקידים מוגדרים היטב: תפקידים ברורים (מנהיג, עוקב, מועמד) ומעברי מצב מפשטים את המודל המנטלי והמימוש.
• שינויי תצורה: מציע מנגנון חזק (קונצנזוס משותף) להוספה או הסרה בטוחה של צמתים מהאשכול מבלי לפגוע בעקביות.

חסרונות:

• צוואר בקבוק במנהיג: כל בקשות הכתיבה של הלקוחות חייבות לעבור דרך המנהיג. בתרחישים עם תפוקת כתיבה גבוהה במיוחד או כאשר המנהיגים מרוחקים גיאוגרפית מהלקוחות, זה יכול להפוך לצוואר בקבוק בביצועים.
• זמן השהיה בקריאה: השגת קריאות עקביות חזקה דורשת לעיתים קרובות תקשורת עם המנהיג, מה שעלול להוסיף זמן השהיה. קריאה מעוקבים מסכנת קריאת נתונים לא עדכניים.
• דרישת קוורום: דורש רוב של צמתים זמינים כדי לחייב רשומות חדשות. באשכול של 5 צמתים, 2 כשלים נסבלים. אם 3 צמתים נכשלים, האשכול הופך ללא זמין לכתיבות. זה יכול להיות מאתגר בסביבות מפוצלות מאוד או מפוזרות גיאוגרפית שבהן קשה לשמור על רוב בין אזורים.
• רגישות לרשת: רגיש מאוד לזמן השהיה ומחיצות רשת, מה שיכול להשפיע על זמני בחירות ועל תפוקת המערכת הכוללת, במיוחד בפריסות מבוזרות נרחבות.
• מורכבות שינויי תצורה: למרות חוסנו, מנגנון הקונצנזוס המשותף הוא אחד החלקים המורכבים יותר של אלגוריתם Raft למימוש נכון ולבדיקה יסודית.
• נקודת כשל יחידה (לכתיבות): למרות שהוא עמיד לכשל מנהיג, אם המנהיג מושבת לצמיתות ולא ניתן לבחור מנהיג חדש (למשל, עקב מחיצות רשת או יותר מדי כשלים), המערכת אינה יכולה להתקדם בכתיבות.

מסקנה: שליטה בקונצנזוס מבוזר למערכות גלובליות חסינות

אלגוריתם Raft מהווה עדות לכוחו של תכנון מחושב בפישוט בעיות מורכבות. הדגש שלו על קלות הבנה הפך את הקונצנזוס המבוזר לדמוקרטי, ומאפשר למגוון רחב יותר של מפתחים וארגונים לבנות מערכות בזמינות גבוהה ועמידות לתקלות מבלי להיכנע למורכבויות האזוטריות של גישות קודמות.

מתיאום אשכולות קונטיינרים עם Kubernetes (באמצעות etcd) ועד לאספקת אחסון נתונים חסין למסדי נתונים גלובליים כמו CockroachDB, Raft הוא סוס עבודה שקט, המבטיח שהעולם הדיגיטלי שלנו יישאר עקבי ותפעולי. מימוש Raft אינו משימה טריוויאלית, אך הבהירות של המפרט שלו והעושר של המערכת האקולוגית הסובבת אותו הופכים אותו למאמץ מתגמל עבור אלה המחויבים לבניית הדור הבא של תשתיות חזקות וניתנות להרחבה.

תובנות מעשיות למפתחים ואדריכלים:

• תעדוף הבנה: לפני ניסיון מימוש, השקיעו זמן בהבנה יסודית של כל כלל ומעבר מצב של Raft. המאמר המקורי והסברים חזותיים הם משאבים יקרי ערך.
• מינוף ספריות קיימות: עבור רוב היישומים, שקלו להשתמש במימושי Raft קיימים שנבדקו היטב (למשל, מ-etcd, ספריית ה-Raft של HashiCorp) במקום לבנות מאפס, אלא אם הדרישות שלכם מאוד מיוחדות או שאתם עורכים מחקר אקדמי.
• בדיקות קפדניות אינן נתונות למשא ומתן: הזרקת תקלות, בדיקות מבוססות תכונות, וסימולציה נרחבת של תרחישי כשל הם חיוניים לכל מערכת קונצנזוס מבוזרת. לעולם אל תניחו "שזה עובד" מבלי לשבור את זה ביסודיות.
• תכנון עבור השהיה גלובלית: בעת פריסה גלובלית, שקלו היטב את מיקום הקוורום, טופולוגיית הרשת ואסטרטגיות הקריאה של הלקוחות כדי לייעל הן את העקביות והן את הביצועים באזורים גיאוגרפיים שונים.
• עמידות ואחסון: ודאו ששכבת האחסון הבסיסית שלכם חזקה ושפעולות fsync או מקבילות משמשות כהלכה למניעת אובדן נתונים בתרחישי קריסה.

ככל שמערכות מבוזרות ממשיכות להתפתח, העקרונות המגולמים ב-Raft—בהירות, חוסן ועמידות לתקלות—יישארו אבני יסוד של הנדסת תוכנה אמינה. על ידי שליטה ב-Raft, אתם מצטיידים בכלי רב עוצמה לבניית יישומים חסינים וניתנים להרחבה גלובלית שיכולים לעמוד בכאוס הבלתי נמנע של מחשוב מבוזר.