Obvladovanje porazdeljene konistence: Poglobljen pogled na implementacijo algoritma Raft za globalne sisteme

V našem vse bolj povezanem svetu so porazdeljeni sistemi hrbtenica skoraj vsake digitalne storitve, od platform za e-poslovanje in finančnih institucij do infrastrukture računalništva v oblaku in orodij za komunikacijo v realnem času. Ti sistemi ponujajo neprimerljivo razširljivost, razpoložljivost in odpornost s porazdelitvijo delovnih obremenitev in podatkov med več računalniki. Vendar ta moč prinaša pomemben izziv: zagotoviti, da se vsi sestavni deli strinjajo o stanju sistema, tudi ob zamudah v omrežju, okvarah vozlišč in sočasnih operacijah. Ta temeljni problem je znan kot porazdeljena končnost.

Doseganje končnosti v asinhronem, na napake nagnjenem porazdeljenem okolju je znano zapleteno. Desetletja je Paxos veljal za dominantni algoritem za reševanje tega izziva, spoštovan zaradi svoje teoretične pravilnosti, vendar pogosto kritiziran zaradi svoje kompleksnosti in težavnosti pri izvajanju. Nato je prišel Raft, algoritem, zasnovan s primarnim ciljem: razumljivost. Raft si prizadeva biti enakovreden Paxosu glede odpornosti na napake in zmogljivosti, vendar strukturiran na način, ki ga je razvijalcem veliko lažje razumeti in nadgrajevati.

Ta obsežen vodnik se poglobi v algoritem Raft ter raziskuje njegova temeljna načela, operativne mehanizme, praktične premisleke o implementaciji in njegovo bistveno vlogo pri gradnji robustnih, globalno porazdeljenih aplikacij. Ne glede na to, ali ste izkušen arhitekt, inženir porazdeljenih sistemov ali razvijalec, ki si prizadeva zgraditi storitve visoke razpoložljivosti, je razumevanje Rafta bistven korak k obvladovanju kompleksnosti sodobnega računalništva.

Nujna potreba po porazdeljeni končnosti v sodobnih arhitekturah

Predstavljajte si globalno platformo za e-poslovanje, ki obdeluje milijone transakcij na sekundo. Podatki o strankah, ravni zalog, stanja naročil – vse mora ostati dosledno med številnimi podatkovnimi centri, ki se razprostirajo po celinah. Knjižica bančnega sistema, razširjena po več strežnikih, si ne more privoščiti niti trenutnega nesoglasja glede stanja na računu. Ti scenariji poudarjajo kritični pomen porazdeljene končnosti.

Naravne ovire porazdeljenih sistemov

Porazdeljeni sistemi po svoji naravi uvajajo nešteto izzivov, ki niso prisotni v monolitnih aplikacijah. Razumevanje teh izzivov je ključno za cenjenje elegancije in nujnosti algoritmov, kot je Raft:

• Delne napake: Za razliko od enega samega strežnika, ki bodisi deluje ali popolnoma odpove, lahko porazdeljeni sistem vsebuje nekatere vozlišča, ki odpovejo, medtem ko druga še naprej delujejo. Strežnik lahko odpove, njegova omrežna povezava se lahko izgubi ali pa se njegov disk lahko poškoduje, medtem ko preostali del ključa ostane funkcionalen. Sistem mora kljub tem delnim napakam še naprej delovati pravilno.
• Omrežne particije: Omrežje, ki povezuje vozlišča, ni vedno zanesljivo. Pride do omrežne particije, ko je komunikacija med podskupi vozlišč prekinjena, zaradi česar se zdi, kot da so nekatera vozlišča odpovedala, čeprav še vedno delujejo. Reševanje teh scenarijev "razcepljene možganske funkcije", kjer različni deli sistema delujejo neodvisno na podlagi zastarelih ali neusklajenih informacij, je temeljni problem končnosti.
• Asinhrona komunikacija: Sporočila med vozlišči se lahko zamudijo, preuredijo ali povsem izgubijo. Ni globalne ure ali garancije glede časa dostave sporočil, kar otežuje vzpostavitev doslednega vrstnega reda dogodkov ali dokončnega stanja sistema.
• Konkurenčnost: Več vozlišč lahko poskuša istočasno posodobiti iste podatke ali sprožiti dejanja. Brez mehanizma za usklajevanje teh operacij so konflikti in neusklajenosti neizogibni.
• Nepredvidljiva latenca: Zlasti pri globalno porazdeljenih namestitvah se lahko omrežna latenca znatno razlikuje. Operacije, ki so hitre v eni regiji, so lahko v drugi počasne, kar vpliva na procese odločanja in usklajevanja.

Zakaj je končnost temelj zanesljivosti

Algoritmi za končnost zagotavljajo temeljni gradnik za reševanje teh izzivov. Omogočajo, da skupina nezanesljivih komponent skupaj deluje kot enotna, zelo zanesljiva in koherentna enota. Posebej končnost pomaga doseči:

• Replikacija stroja stanj (SMR): Temeljna ideja za številne porazdeljene sisteme, odporne na napake. Če se vsi vozlišči strinjajo o vrstnem redu operacij, in če vsako vozlišče začne v istem začetnem stanju in te operacije izvede v enakem vrstnem redu, potem bodo vsi vozlišči prišli do istega končnega stanja. Končnost je mehanizem za dogovor o tem globalnem vrstnem redu operacij.
• Visoka razpoložljivost: S tem, ko sistem omogoča nadaljevanje delovanja, tudi če manjši del vozlišč odpove, končnost zagotavlja, da storitve ostanejo dostopne in funkcionalne, kar zmanjšuje čas nedelovanja.
• Doslednost podatkov: Zagotavlja, da vse kopije podatkov ostanejo sinhronizirane, preprečuje nasprotujoče si posodobitve in zagotavlja, da stranke vedno berejo najnovejše in pravilne informacije.
• Odpornost na napake: Sistem lahko prenese določeno število naključnih napak vozlišč (običajno napake pri zrušitvi) in še naprej napreduje brez človeškega posredovanja.

Predstavljamo Raft: Razumljiv pristop k končnosti

Raft je nastal iz akademskega sveta z jasnim ciljem: narediti porazdeljeno končnost dostopno. Njegovi avtorji, Diego Ongaro in John Ousterhout, so Raft izrecno zasnovali za razumljivost, s ciljem omogočiti širšo uporabo in pravilno implementacijo algoritmov končnosti.

Temeljna zasnova filozofije Rafta: najprej razumljivost

Raft razdeli zapleten problem končnosti na več relativno neodvisnih podproblemov, vsak s svojim specifičnim naborom pravil in vedenj. Ta modularnost znatno pripomore k razumevanju. Ključna načela oblikovanja vključujejo:

• Pristop, osredotočen na vodjo: Za razliko od nekaterih drugih algoritmov končnosti, kjer vsa vozlišča enako sodelujejo pri odločanju, Raft določi enega samega vodjo. Vodja je odgovoren za upravljanje replikirane dnevnika in usklajevanje vseh zahtev strank. To poenostavlja upravljanje dnevnika in zmanjšuje kompleksnost interakcij med vozlišči.
• Močan vodja: Vodja je končna avtoriteta za predlaganje novih vnosov v dnevnik in določanje, kdaj so ti potrjeni. Sledilci pasivno replicirajo dnevnik vodje in se odzivajo na zahteve vodje.
• Detereministične volitve: Raft uporablja naključni časovnik za volitve, da zagotovi, da običajno samo en kandidat izstopi kot vodja v določenem volilnem obdobju.
• Konsistentnost dnevnika: Raft izvaja stroge lastnosti konsistentnosti na svojem replikiranem dnevniku, s čimer zagotavlja, da se potrjeni vnosi nikoli ne razveljavijo in da se vsi potrjeni vnosi sčasoma pojavijo na vseh razpoložljivih vozliščih.

Kratka primerjava s Paxosom

Pred Raftom je bil Paxos de facto standard za porazdeljeno končnost. Čeprav močan, je Paxos znanstveno težko razumljiv in pravilno implementiran. Njegova zasnova, ki ločuje vloge (predlagatelj, sprejemnik, učenec) in omogoča, da obstaja več vodij hkrati (čeprav samo eden lahko potrdi vrednost), lahko povzroči zapletene interakcije in robne primere.

Raft v nasprotju s tem poenostavi prostor stanj. Izvaja močan model vodje, kjer je vodja odgovoren za vse spremembe dnevnika. Jasno opredeli vloge (Vodja, Sledilnik, Kandidat) in prehode med njimi. Ta struktura naredi vedenje Rafta bolj intuitivno in lažje za razumevanje, kar vodi do manj napak pri implementaciji in hitrejših razvojnih ciklov. Številni sistemi v resničnem svetu, ki so se sprva borili s Paxosom, so našli uspeh z uvedbo Rafta.

Tri temeljne vloge v Raftu

Vsak strežnik v ključenju Rafta je v vsakem trenutku v enem od treh stanj: Vodja, Sledilnik ali Kandidat. Te vloge so izključujoče in dinamične, pri čemer strežniki prehajajo med njimi na podlagi specifičnih pravil in dogodkov.

1. Sledilnik

• Pasivna vloga: Sledilniki so najbolj pasivno stanje v Raftu. Preprosto se odzivajo na zahteve vodij in kandidatov.
• Prejemanje srčnih utripov: Sledilnik pričakuje, da bo v rednih intervalih prejemal srčne utripe (prazni AppendEntries RPC) od vodje. Če sledilnik v določenem obdobju volilnega časovnika ne prejme srčnega utripa ali AppendEntries RPC, predpostavi, da je vodja odpovedal, in preide v kandidatno stanje.
• Glasovanje: Med volitvami bo sledilnik volil največ enkrat za enega kandidata na volilno obdobje.
• Replikacija dnevnika: Sledilniki dodajo vnose dnevnika v svoj lokalni dnevnik, kot je navedel vodja.

2. Kandidat

• Sprožanje volitev: Ko sledilnik preteče časovnik (ne sliši od vodje), preide v kandidatno stanje, da sproži nove volitve.
• Samo-glasovanje: Kandidat poveča svoje trenutno obdobje, glasuje zase in pošlje RequestVote RPC vsem drugim strežnikom v ključenju.
• Zmaga na volitvah: Če kandidat prejme glasove od večine strežnikov v ključenju za isto obdobje, preide v stanje vodje.
• Odstop: Če kandidat odkrije drugega strežnika z višjim obdobjem ali če prejme AppendEntries RPC od legitimnega vodje, se vrne v stanje sledilnika.

3. Vodja

• Edina avtoriteta: V ključenju Rafta je ob določenem času (za določeno obdobje) samo en vodja. Vodja je odgovoren za vse interakcije s strankami, replikacijo dnevnika in zagotavljanje konsistentnosti.
• Pošiljanje srčnih utripov: Vodja periodično pošilja AppendEntries RPC (srčne utripe) vsem sledilnikom, da ohrani svojo avtoriteto in prepreči nove volitve.
• Upravljanje dnevnika: Vodja sprejema zahteve strank, dodaja nove vnose v dnevnik svojemu lokalnemu dnevniku in nato te vnose replicira vsem sledilnikom.
• Potrditev: Vodja odloči, kdaj je vnos varno replikiran na večino strežnikov in ga je mogoče potrditi v stroj stanja.
• Odstop: Če vodja odkrije strežnik z višjim obdobjem, takoj odstopi in se vrne v sledilnik.

Faze delovanja Rafta: Podroben pregled

Raft deluje skozi neprekinjen cikel volitev vodje in replikacije dnevnika. Ti dva primarna mehanizma, poleg ključnih varnostnih lastnosti, zagotavljata, da ključek ohranja konsistentnost in odpornost na napake.

1. Volitve vodje

Postopek volitev vodje je temelj delovanja Rafta, ki zagotavlja, da ima ključek vedno en sam, avtoritativen vozlišče za usklajevanje dejanj.

• Volilni časovnik: Vsak sledilnik vzdržuje naključni volilni časovnik (običajno 150-300 ms). Če sledilnik v tem časovnem obdobju ne prejme nobene komunikacije (srčni utrip ali AppendEntries RPC) od trenutnega vodje, predpostavi, da je vodja odpovedal ali da je prišlo do omrežne particije.
• Prehod v Kandidata: Ob preteku časovnika sledilnik preide v stanje Kandidat. Poveča svoje trenutno obdobje, glasuje zase in ponastavi svoj volilni časovnik.
• RequestVote RPC: Kandidat nato pošlje RequestVote RPC vsem drugim strežnikom v ključenju. Ta RPC vključuje kandidatov trenutno obdobje, njegov candidateId ter informacije o njegovem zadnjem indeksu dnevnika in zadnjem terminu dnevnika (več o tem, zakaj je to ključno za varnost, kasneje).
• Pravila glasovanja: Strežnik odobri svoj glas kandidatu, če:
  1. Njegovo trenutno obdobje je manjše ali enako obdobju kandidata.
  2. Še ni glasoval za drugega kandidata v trenutnem obdobju.
  3. Dnevnik kandidata je vsaj tako ažuren kot njegov lastni. To se določi s primerjavo najprej zadnjega termina dnevnika, nato zadnjega indeksa dnevnika, če sta obdobja enaka. Kandidat je "ažuren", če njegov dnevnik vsebuje vse potrjene vnose, ki jih vsebuje dnevnik volivca. To je znano kot volilna omejitev in je ključno za varnost.
• Zmaga na volitvah: Kandidat postane novi vodja, če prejme glasove od večine strežnikov v ključenju za isto obdobje. Ko je izvoljen, novi vodja takoj pošlje AppendEntries RPC (srčne utripe) vsem drugim strežnikom, da vzpostavi svojo avtoriteto in prepreči nove volitve.
• Deljeni glasovi in ponovitve: Možno je, da se hkrati pojavi več kandidatov, kar povzroči deljen glas, kjer noben kandidat ne dobi večine. Da bi to rešili, ima vsak kandidat naključen volilni časovnik. Če kandidatu poteče časovnik brez zmage na volitvah ali brez slišenja od novega vodje, poveča svoje obdobje in začne nove volitve. Naključnost pomaga zagotoviti, da so deljeni glasovi redki in hitro rešeni.
• Odkrivanje višjih obdobij: Če kandidat (ali katerikoli strežnik) prejme RPC z obdobjem višjim od svojega trenutnega obdobja, takoj posodobi svoje trenutno obdobje na višjo vrednost in se vrne v stanje sledilnika. To zagotavlja, da strežnik z zastarelimi informacijami nikoli ne poskuša postati vodja ali motiti legitimnega vodje.

2. Replikacija dnevnika

Ko je vodja izvoljen, je njegova glavna odgovornost upravljanje replikiranega dnevnika in zagotavljanje konsistentnosti v ključenju. To vključuje sprejemanje ukazov strank, njihovo dodajanje v svoj dnevnik in replikacijo na sledilnike.

• Zahteve strank: Vse zahteve strank (ukazi za izvedbo s strani stroja stanja) so usmerjene k vodji. Če stranka stopi v stik s sledilnikom, sledilnik preusmeri zahtevo k trenutnemu vodji.
• Dodajanje v dnevnik vodje: Ko vodja prejme ukaz stranke, ukaz doda kot nov vnos dnevnika v svoj lokalni dnevnik. Vsak vnos dnevnika vsebuje sam ukaz, obdobje, v katerem je bil prejet, in njegov indeks dnevnika.
• AppendEntries RPC: Vodja nato pošlje AppendEntries RPC vsem sledilnikom, jih pozove, da dodajo nov vnos dnevnika (ali serijo vnosov) v svoje dnevnike. Ti RPC vključujejo:
  • term: Trenutno obdobje vodje.
  • leaderId: ID vodje (da sledilniki preusmerijo stranke).
  • prevLogIndex: Indeks vnosa dnevnika, ki neposredno predhodi novim vnosom.
  • prevLogTerm: Obdobje vnosa prevLogIndex. Ti dve (prevLogIndex, prevLogTerm) sta ključni za lastnost ujemanja dnevnika.
  • entries[]: Vnosi dnevnika za shranjevanje (prazno za srčne utripe).
  • leaderCommit: Vodjev commitIndex (indeks najvišjega vložka dnevnika, za katerega je znano, da je bil potrjen).
• Preverjanje konsistentnosti (Lastnost ujemanja dnevnika): Ko sledilnik prejme AppendEntries RPC, izvede preverjanje konsistentnosti. Preveri, ali njegov dnevnik vsebuje vnos na prevLogIndex z obdobjem, ki se ujema s prevLogTerm. Če ta preveritev ne uspe, sledilnik zavrne AppendEntries RPC in obvesti vodjo, da je njegov dnevnik neusklajen.
• Reševanje neusklajenosti: Če sledilnik zavrne AppendEntries RPC, vodja zmanjša nextIndex za ta sledilnik in ponovi AppendEntries RPC. nextIndex je indeks naslednjega vnosa dnevnika, ki ga bo vodja poslal določenemu sledilniku. Ta postopek se nadaljuje, dokler nextIndex ne doseže točke, kjer se dnevnika vodje in sledilnika ujemata. Ko se najde ujemanje, lahko sledilnik nato sprejme nadaljnje vnose dnevnika, s čimer sčasoma uskladi svoj dnevnik z dnevnikom vodje.
• Potrjevanje vnosov: Vnos se šteje za potrjenega, ko ga je vodja uspešno repliciral na večino strežnikov (vključno s seboj). Ko je potrjen, se vnos lahko uporabi v stroju stanja. Vodja posodobi svoj commitIndex in ga vključi v nadaljnje AppendEntries RPC, da obvesti sledilnike o potrjenih vnosih. Sledilniki posodabljajo svoj commitIndex na podlagi vodjevega leaderCommit in uporabijo vnose do tega indeksa v svoj stroj stanja.
• Lastnost popolnosti vodje: Raft zagotavlja, da če je vnos dnevnika potrjen v določenem obdobju, potem vsi naslednji vodje morajo imeti ta vnos dnevnika. Ta lastnost je zagotovljena z volilno omejitvijo: kandidat lahko zmaga na volitvah le, če je njegov dnevnik vsaj tako ažuren kot večina drugih strežnikov. To preprečuje, da bi bil izvoljen vodja, ki bi lahko prebrisal ali zamudil potrjene vnose.

3. Varnostne lastnosti in zagotovila

Robustnost Rafta izhaja iz več skrbno zasnovanih varnostnih lastnosti, ki preprečujejo neusklajenosti in zagotavljajo celovitost podatkov:

• Varnost volitev: Največ en vodja je lahko izvoljen v določenem obdobju. To zagotavlja mehanizem glasovanja, kjer sledilnik odobri največ en glas na obdobje, kandidat pa potrebuje večino glasov.
• Popolnost vodje: Če je vnos dnevnika potrjen v določenem obdobju, bo ta vnos prisoten v dnevnikih vseh naslednjih vodij. To je ključnega pomena za preprečevanje izgube potrjenih podatkov in je predvsem zagotovljeno z volilno omejitvijo.
• Lastnost ujemanja dnevnika: Če dva dnevnika vsebujeta vnos z enakim indeksom in obdobjem, potem sta dnevnika identična v vseh predhodnih vnosih. To poenostavi preverjanje konsistentnosti dnevnika in omogoča vodju, da učinkovito posodobi dnevnike sledilnikov.
• Varnost potrditve: Ko je vnos potrjen, se nikoli ne more razveljaviti ali prebrisati. To je neposredna posledica lastnosti popolnosti vodje in ujemanja dnevnika. Ko je vnos potrjen, velja za trajno shranjenega.

Ključni koncepti in mehanizmi v Raftu

Poleg vlog in faz delovanja se Raft zanaša na več ključnih konceptov za upravljanje stanja in zagotavljanje pravilnosti.

1. Obdobja

Obdobje v Raftu je neprekinjeno naraščajoče celo število. Deluje kot logična ura za ključek. Vsako obdobje se začne z volitvami, in če so volitve uspešne, je za to obdobje izvoljen en vodja. Obdobja so ključna za prepoznavanje zastarelih informacij in zagotavljanje, da se strežniki vedno zatekajo k najbolj aktualnim informacijam:

• Strežniki si v vseh RPC izmenjujejo svoje trenutno obdobje.
• Če strežnik odkrije drugega strežnika z višjim obdobjem, posodobi svoje trenutno obdobje in se vrne v stanje sledilnika.
• Če kandidat ali vodja odkrije, da je njegovo obdobje zastarelo (nižje od obdobja drugega strežnika), takoj odstopi.

2. Vnosi dnevnika

Dnevnik je osrednji sestavni del Rafta. Je urejen zaporedje vnosov, kjer vsak vnos dnevnika predstavlja ukaz, ki ga je treba izvesti v stroju stanja. Vsak vnos vsebuje:

• Ukaz: Dejansko dejanje, ki ga je treba izvesti (npr. "nastavi x=5", "ustvari uporabnika").
• Obdobje: Obdobje, v katerem je bil vnos ustvarjen na vodji.
• Indeks: Položaj vložka v dnevniku. Vnosi dnevnika so strogo urejeni po indeksu.

Dnevnik je trajen, kar pomeni, da so vnosi zapisani v stabilen pomnilnik pred odgovorom strankam, kar jih ščiti pred izgubo podatkov med zrušitvami.

3. Stroj stanja

Vsak strežnik v ključenju Rafta vzdržuje stroj stanja. To je aplikacijsko specifičen sestavni del, ki obdeluje potrjene vnose dnevnika. Da bi zagotovili konsistentnost, mora biti stroj stanja detereminističen (ob enakem začetnem stanju in zaporedju ukazov vedno proizvede enak izhod in končno stanje) in idempotenten (večkratna uporaba istega ukaza ima enak učinek kot enkratna uporaba, kar pomaga pri gladkem ravnanju s ponovitvami, čeprav potrditev dnevnika Rafta v veliki meri zagotavlja enkratno uporabo).

4. Commit Index

Commit index je najvišji indeks vložka dnevnika, za katerega je znano, da je potrjen. To pomeni, da je bil varno repliciran na večino strežnikov in ga je mogoče uporabiti v stroju stanja. Vodje določijo commit index, sledilniki pa posodobijo svoj commit index na podlagi vodjevega AppendEntries RPC. Vsi vnosi do commit index se štejejo za trajne in jih ni mogoče razveljaviti.

5. Posnetki

Sčasoma se lahko replikirani dnevnik zelo poveča, kar porabi znatno količino prostora na disku in upočasni replikacijo dnevnika ter obnovitev. Raft to rešuje s posnetki. Posnetek je kompakten prikaz stanja stroja stanja v določenem trenutku. Namesto da bi obdržali celoten dnevnik, lahko strežniki občasno "posnamejo" svoje stanje, zavržejo vse vnose dnevnika do točke posnetka in nato replicirajo posnetek novim ali zaostalim sledilnikom. Ta postopek znatno izboljša učinkovitost:

• Kompakten dnevnik: Zmanjša količino trajnega podatka v dnevniku.
• Hitrejša obnovitev: Novi ali zrušeni strežniki lahko prejmejo posnetek namesto predvajanja celotnega dnevnika od začetka.
• InstallSnapshot RPC: Raft definira InstallSnapshot RPC za prenos posnetkov od vodje k sledilnikom.

Čeprav je učinkovito, snemanje dodaja kompleksnost implementaciji, zlasti pri upravljanju sočasnega ustvarjanja posnetkov, obrezovanja dnevnika in prenosa.

Implementacija Rafta: Praktični premisleki za globalno uvajanje

Prevedba elegantne zasnove Rafta v robusten, produkcijsko pripravljen sistem, zlasti za globalno občinstvo in raznoliko infrastrukturo, vključuje obravnavanje več praktičnih inženirskih izzivov.

1. Omrežna latenca in particije v globalnem kontekstu

Pri globalno porazdeljenih sistemih je omrežna latenca pomemben dejavnik. Ključek Rafta običajno zahteva, da se večina vozlišč strinja z vnosom dnevnika, preden ga je mogoče potrditi. V ključenju, ki je razširjen po celinah, je latenca med vozlišči lahko več sto milisekund. To neposredno vpliva na:

• Latenca potrditve: Čas, potreben za potrditev zahteve stranke, je lahko omejen z najpočasnejšo omrežno povezavo do večine kopij. Strategije, kot so samo-bralni sledilniki (ki ne zahtevajo interakcije vodje za zastarela branja) ali geografsko zavedna konfiguracija kvoruma (npr. 3 vozlišča v eni regiji, 2 v drugi za 5-vozliščni ključek, kjer je večina lahko v eni hitri regiji), lahko to ublažijo.
• Hitrost volitev vodje: Visoka latenca lahko zamuja z RequestVote RPC, kar lahko povzroči pogostejše deljene glasove ali daljše čase volitev. Prilagoditev volilnih časovnikov, da so znatno večji od običajne medvozijske latence, je ključna.
• Ravnanje z omrežnimi particijami: Omrežja v resničnem svetu so nagnjena k particijam. Raft pravilno obravnava particije tako, da zagotovi, da lahko vodjo izvoli in napreduje samo particija, ki vsebuje večino vozlišč. Manjšinska particija ne bo mogla potrditi novih vnosov, s čimer se preprečijo scenariji razcepljenega možganskega delovanja. Vendar pa lahko podaljšane particije v globalno porazdeljeni nastavitvi povzročijo nedelovanje v nekaterih regijah, kar zahteva skrbne arhitekturne odločitve glede umestitve kvoruma.

2. Trajni pomnilnik in trajna obstojnost

Pravilnost Rafta se močno zanaša na obstojnost svojega dnevnika in stanja. Preden strežnik odgovori na RPC ali uporabi vnos v svoj stroj stanja, mora zagotoviti, da so relevantni podatki (vnos dnevnika, trenutno obdobje, glasovan za) zapisani v stabilen pomnilnik in fsync'd (potisnjeni na disk). To preprečuje izgubo podatkov v primeru zrušitve. Premisleki vključujejo:

• Zmogljivost: Pogosti zapisi na disk so lahko ozko grlo zmogljivosti. Pakiranje zapisov in uporaba hitrih SSD so običajne optimizacije.
• Zanesljivost: Izbira robustne in trajne rešitve za pomnilnik (lokalni disk, omrežno priključen pomnilnik, shranjevanje blokov v oblaku) je ključnega pomena.
• WAL (Write-Ahead Log): Pogosto implementacije Rafta uporabljajo dnevnik pred zapisom, podobno kot baze podatkov, da zagotovijo, da se spremembe zapišejo na disk, preden se uporabijo v pomnilniku.

3. Interakcija s strankami in modeli konsistentnosti

Stranke komunicirajo s ključenjem Rafta s pošiljanjem zahtev vodji. Obravnavanje zahtev strank vključuje:

• Odkrivanje vodje: Stranke potrebujejo mehanizem za iskanje trenutnega vodje. To je lahko prek mehanizma za odkrivanje storitev, fiksne končne točke, ki preusmerja, ali s poskusi strežnikov, dokler eden ne odgovori kot vodja.
• Ponovitve zahtev: Stranke morajo biti pripravljene ponoviti zahteve, če se vodja spremeni ali če pride do napake v omrežju.
• Branje s konsistentnostjo: Raft v glavnem zagotavlja strogo konsistentnost za pisanje. Za branje je možnih več modelov:
  • Branje z močno konsistentnostjo: Stranka lahko vodjo prosi, da zagotovi, da je njegovo stanje posodobljeno, tako da pošlje srčni utrip večini svojih sledilnikov, preden obravnava branje. To zagotavlja svežost, vendar povečuje latenco.
  • Branje z vodilno najemnino: Vodja lahko pridobi "najemnino" od večine vozlišč za kratek čas, med katerim ve, da je še vedno vodja in lahko obravnava branja brez nadaljnje končnosti. To je hitrejše, vendar časovno omejeno.
  • Zastarela branja (s sledilnikov): Branje neposredno s sledilnikov lahko ponudi manjšo latenco, vendar tvega branje zastarelih podatkov, če dnevnik sledilnika zaostaja za vodjo. To je sprejemljivo za aplikacije, kjer je končna konsistentnost zadostna za branje.

4. Spremembe konfiguracije (članstvo ključka)

Spreminjanje članstva ključka Rafta (dodajanje ali odstranjevanje strežnikov) je kompleksna operacija, ki jo je treba izvesti tudi prek končnosti, da se izognejo neusklajenosti ali scenarijem razcepljenega možganskega delovanja. Raft predlaga tehniko, imenovano Združena končnost:

• Dve konfiguraciji: Med spremembo konfiguracije sistem začasno deluje z dvema prekrivajočima se konfiguracijama: stara konfiguracija (C_old) in nova konfiguracija (C_new).
• Stanje združene končnosti (C_old, C_new): Vodja predlaga poseben vnos dnevnika, ki predstavlja združeno konfiguracijo. Ko je ta vnos potrjen (zahteva soglasje večine v C_old in C_new), je sistem v prehodnem stanju. Zdaj odločitve zahtevajo večine iz obeh konfiguracij. To zagotavlja, da med prehodom ne more nobena stara ne nova konfiguracija sprejemati odločitev enostransko, s čimer se prepreči razhajanje.
• Prehod na C_new: Ko je vnos dnevnika združene konfiguracije potrjen, vodja predlaga drug vnos dnevnika, ki predstavlja samo novo konfiguracijo (C_new). Ko je ta drugi vnos potrjen, se stara konfiguracija zavrže in sistem deluje izključno pod C_new.
• Varnost: Ta dvofazni proces potrditve zagotavlja, da v nobeni točki ne more biti izvoljenih dveh nasprotujočih si vodij (enega pod C_old, drugega pod C_new) in da sistem ostane operativen skozi celotno spremembo.

Pravilna implementacija sprememb konfiguracije je eden najzahtevnejših delov implementacije Rafta zaradi številnih robnih primerov in scenarijev napak med prehodnim stanjem.

5. Testiranje porazdeljenih sistemov: strog pristop

Testiranje algoritma porazdeljene končnosti, kot je Raft, je izjemno zahtevno zaradi njegove nedeterministične narave in množice načinov napak. Preprosti enotski testi niso dovolj. Strog testni pristop vključuje:

• Vbrizgavanje napak: Sistematično uvajanje napak, kot so zrušitve vozlišč, omrežne particije, zamude sporočil in preurejanje sporočil. Orodja, kot je Jepsen, so posebej zasnovana za ta namen.
• Testiranje, ki temelji na lastnostih: Definiranje invariant in varnostnih lastnosti (npr. največ en vodja na obdobje, potrjeni vnosi se nikoli ne izgubijo) in testiranje, ali implementacija te lastnosti ohranja pod različnimi pogoji.
• Preverjanje modela: Za kritične dele algoritma se lahko uporabijo formalne metode preverjanja, da se dokaže pravilnost, vendar je to zelo specializirano.
• Simulirana okolja: Izvajanje testov v okoljih, ki simulirajo omrežne pogoje (latenca, izguba paketov), značilne za globalne namestitve.

Primeri uporabe in resnične aplikacije

Praktičnost in razumljivost Rafta sta vodili k njegovi široki uporabi v različnih kritičnih infrastrukturnih komponentah:

1. Porazdeljene ključ-vrednost trgovine in replikacija baz podatkov

• etcd: Temeljni sestavni del Kubernetes, etcd uporablja Raft za shranjevanje in replikacijo konfiguracijskih podatkov, informacij o odkrivanju storitev in upravljanje stanja ključka. Njegova zanesljivost je najpomembnejša za pravilno delovanje Kubernetes.
• Consul: Razvil ga je HashiCorp, Consul uporablja Raft za svoj porazdeljeni pomnilniški backend, kar omogoča odkrivanje storitev, preverjanje zdravja in upravljanje konfiguracij v dinamičnih infrastrukturnih okoljih.
• TiKV: Porazdeljena transakcijska ključ-vrednost trgovina, ki jo uporablja TiDB (porazdeljena podatkovna baza SQL), implementira Raft za svoje zagotovilo o replikaciji podatkov in konsistentnosti.
• CockroachDB: Ta globalno porazdeljena podatkovna baza SQL obsežno uporablja Raft za replikacijo podatkov med več vozlišči in geografijami, kar zagotavlja visoko razpoložljivost in močno konsistentnost tudi ob napakah po regijah.

2. Odkrivanje storitev in upravljanje konfiguracij

Raft zagotavlja idealno osnovo za sisteme, ki morajo shranjevati in distribuirati kritične metapodatke o storitvah in konfiguracijah po ključu. Ko se storitev registrira ali njena konfiguracija spremeni, Raft zagotovi, da se vsa vozlišča sčasoma strinjajo o novem stanju, kar omogoča dinamične posodobitve brez ročnega posredovanja.

3. Koordinatorji porazdeljenih transakcij

Za sisteme, ki zahtevajo atomičnost med več operacijami ali storitvami, lahko Raft podpira koordinatorje porazdeljenih transakcij, kar zagotavlja, da so dnevniki transakcij dosledno replicirani pred potrditvijo sprememb med sodelujočimi.

4. Usklajevanje ključka in volitve vodje v drugih sistemih

Poleg izrecne uporabe v bazah podatkov ali ključ-vrednost trgovinah se Raft pogosto vgrajuje kot knjižnica ali ključna komponenta za upravljanje usklajevalnih nalog, volitve vodij za druge porazdeljene procese ali zagotavljanje zanesljivega nadzornega sloja v večjih sistemih. Na primer, številne rešitve v oblaku izkoriščajo Raft za upravljanje stanja svojih nadzornih komponent.

Prednosti in slabosti Rafta

Medtem ko Raft ponuja pomembne prednosti, je bistveno razumeti njegove kompromise.

Prednosti:

• Razumljivost: Njegov primarni cilj oblikovanja, zaradi česar je lažje implementirati, odpraviti napake in razumeti kot starejše algoritme končnosti, kot je Paxos.
• Močna konsistentnost: Zagotavlja močne garancije konsistentnosti za potrjene vnose dnevnika, kar zagotavlja celovitost in zanesljivost podatkov.
• Odpornost na napake: Lahko prenese napako manjšine vozlišč (do (N-1)/2 napak v N-vozliščnem ključenju) brez izgube razpoložljivosti ali konsistentnosti.
• Zmogljivost: V stabilnih pogojih (brez sprememb vodje) lahko Raft doseže visoko prepustnost, saj vodja obravnava vse zahteve zaporedno in replicira vzporedno, kar učinkovito izkorišča pasovno širino omrežja.
• Jasno določene vloge: Jasne vloge (Vodja, Sledilnik, Kandidat) in prehodi stanj poenostavijo miselni model in implementacijo.
• Spremembe konfiguracije: Ponuja robusten mehanizem (Združena končnost) za varno dodajanje ali odstranjevanje vozlišč iz ključka brez ogrožanja konsistentnosti.

Slabosti:

• Ozkost vodje: Vse zahteve za pisanje strank morajo iti skozi vodjo. V scenarijih z izjemno visoko prepustnostjo pisanja ali kjer so vodje geografsko oddaljeni od strank, to lahko postane ozko grlo zmogljivosti.
• Latenca branja: Doseganje močno konsistentnih branj pogosto zahteva komunikacijo z vodjo, kar lahko poveča latenco. Branje s sledilnikov tvega zastarela podatke.
• Zahteva po kvorumu: Potrebuje večino vozlišč, ki so na voljo za potrditev novih vnosov. V 5-vozliščnem ključenju je 2 napaki tolerirani. Če odpove 3 vozlišča, ključek postane nedelujoč za pisanje. To je lahko izziv v močno razdeljenih ali geografsko razpršenih okoljih, kjer je vzdrževanje večine med regijami težko.
• Občutljivost na omrežje: Zelo občutljiv na omrežno latenco in particije, ki lahko vplivajo na čase volitev in splošno prepustnost sistema, zlasti pri široko razpršenih namestitvah.
• Kompleksnost sprememb konfiguracije: Čeprav je robusten, je mehanizem Združene končnosti eden najbolj zapletenih delov algoritma Raft za pravilno implementacijo in temeljito testiranje.
• Eno samo vozlišče napake (za pisanje): Čeprav je odporen na napake vodje, če je vodja trajno nedelujoč in novega vodje ni mogoče izvoliti (npr. zaradi omrežnih particij ali preveč napak), sistem ne more napredovati pri pisanjih.

Zaključek: Obvladovanje porazdeljene končnosti za odporne globalne sisteme

Algoritem Raft je dokaz moči premišljenega oblikovanja pri poenostavljanju zapletenih problemov. Njegov poudarek na razumljivosti je demokratiziral porazdeljeno končnost, kar širši krog razvijalcev in organizacij omogoča gradnjo visoko razpoložljivih in odpornih sistemov, ne da bi se prepustili skrivnostnim zapletenostim prejšnjih pristopov.

Od orkestriranja ključenj kontejnerjev s Kubernetes (prek etcd) do zagotavljanja odpornega shranjevanja podatkov za globalne podatkovne baze, kot je CockroachDB, je Raft tihi delavec, ki zagotavlja, da naš digitalni svet ostane dosleden in operativen. Implementacija Rafta ni trivialna naloga, vendar jasnost njegove specifikacije in bogastvo njegovega spremljevalnega ekosistema ga naredijo nagrajujoč podvig za tiste, ki so zavezani gradnji naslednje generacije robustnih, razširljivih infrastruktur.

Praktični vpogledi za razvijalce in arhitekte:

• Dajte prednost razumevanju: Preden se lotite implementacije, si vzemite čas za temeljito razumevanje vsakega pravila in prehoda stanja Rafta. Izvirni članek in vizualne razlage so neprecenljivi viri.
• Uporabite obstoječe knjižnice: Za večino aplikacij razmislite o uporabi dobro preverjenih obstoječih implementacij Rafta (npr. iz etcd, knjižnica Raft podjetja HashiCorp), namesto da bi gradili iz nič, razen če vaši zahtevki niso zelo specializirani ali izvajate akademsko raziskavo.
• Strogo testiranje je nujno: Vbrizgavanje napak, testiranje, ki temelji na lastnostih, in obsežne simulacije scenarijev napak so bistveni za vsak sistem porazdeljene končnosti. Nikoli ne predpostavljajte, "deluje", ne da bi ga temeljito preizkusili.
• Načrtovanje za globalno latenco: Pri globalnem uvajanju skrbno razmislite o umestitvi kvoruma, omrežni topologiji in strategijah branja strank, da optimizirate tako konsistentnost kot zmogljivost med različnimi geografskimi regijami.
• Obstojnost in trajna obstojnost: Zagotovite, da je vaša osnovna plast pomnilnika robustna in da se fsync ali enakovredne operacije pravilno uporabljajo za preprečevanje izgube podatkov v scenarijih z zrušitvami.

Ker se porazdeljeni sistemi še naprej razvijajo, bodo načela, utelešena v Raftu – jasnost, robustnost in odpornost na napake – ostala temelji zanesljivega inženirstva programske opreme. Z obvladovanjem Rafta si boste pridobili zmogljivo orodje za gradnjo odpornih, globalno razširljivih aplikacij, ki lahko prenesejo neizogibni kaos porazdeljenega računalništva.