etcd學(xué)習(xí)筆記3 (草稿)

Raft協(xié)議主要分為三個(gè)模塊:Leader electionLog replicationSafety制市。
Raft將服務(wù)器節(jié)點(diǎn)分為Leader残拐、CandidateFollower三種刹孔,協(xié)調(diào)者被稱為領(lǐng)袖/主(Leader),參與者被稱為群眾(Follower)标沪。相對(duì)于其他的協(xié)議,Raft中的Leader更強(qiáng)嗜傅,這體現(xiàn)在:

  • Leader是唯一的金句。
  • Log entries只能從Leader發(fā)送給其他服務(wù)器,事實(shí)上Follower不主動(dòng)發(fā)送吕嘀,而只響應(yīng)來自Leader和Candidate的請(qǐng)求违寞。
  • 客戶端只能和Leader交互,如果客戶端首先連上了Follower币他,那么會(huì)被Follower轉(zhuǎn)發(fā)給Leader坞靶。
  • Raft的獨(dú)特之處還在于其在Leader election的過程中Raft使用了隨機(jī)計(jì)時(shí)器進(jìn)行超時(shí)。此外蝴悉,Raft還提供了一個(gè)joint consensus的算法處理Membership changes的問題彰阴。
RSM(Replicated State Machine)

raft中的Progress代表leader看到的followers的進(jìn)度信息。有三種狀態(tài)類型用來跟蹤follower拍冠。

// file: raft/tracker/state.go
// StateType is the state of a tracked follower.
type StateType uint64

const (
    // StateProbe indicates a follower whose last index isn't known. Such a
    // follower is "probed" (i.e. an append sent periodically) to narrow down
    // its last index. In the ideal (and common) case, only one round of probing
    // is necessary as the follower will react with a hint. Followers that are
    // probed over extended periods of time are often offline.
    StateProbe StateType = iota
    // StateReplicate is the state steady in which a follower eagerly receives
    // log entries to append to its log.
    StateReplicate
    // StateSnapshot indicates a follower that needs log entries not available
    // from the leader's Raft log. Such a follower needs a full snapshot to
    // return to StateReplicate.
    StateSnapshot
)

LearnersVoters不會(huì)有交集尿这。
Joint consensus
joint config
term is a logic clock in the raft
quorum

Raft協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)記錄本地Log,etcd使用raftLog表示本地Log

// file: raft/log.go
type raftLog struct {
    // storage contains all stable entries since the last snapshot.
    storage Storage

    // unstable contains all unstable entries and snapshot.
    // they will be saved into storage.
    unstable unstable

    // committed is the highest log position that is known to be in
    // stable storage on a quorum of nodes.
    committed uint64
    // applied is the highest log position that the application has
    // been instructed to apply to its state machine.
    // Invariant: applied <= committed
    applied uint64

    logger Logger

    // maxNextEntsSize is the maximum number aggregate byte size of the messages
    // returned from calls to nextEnts.
    maxNextEntsSize uint64
}

applied <= committed

Deep Dive: etcd


Consensus and Quorum

Replicated state machine

Leader election

  • Candidate, Follower, Leader
  • Term
  • Election
  • Hearbeat

Log replication

  • Only leader manages the replicated logs.
  • Leader only append to log.
  • Leader keeps trying to replicate its logs to followers.
  • Committed index
  • Applied index(always smaller than committed index)

Raft in etcd

Raft implementation

  • Minimalistic design for flexibility, deterministic and performance

    • Raft package does not implement network transport between peers.
    • Raft package does not implement storage to persist log and state.
  • Raft is modeled as a state machine

    • State
    • Input, output
    • Transition between states
State and Input
Output and State transition

Server's handling loop

for {
      select {
      ...
      case rd := <- r.Ready():
              r.storage.Save(rd.HardState, rd.Entries, rd.Snapshot)
              r.transport.Send(rd.Messages)
              s.Apply(rd.CommittedEntries)
              ....
      }
}

Request lifecycle

  1. Send proposal to Raft
    r.Propose(ctx, data)
  2. If successfully committed, data will appear in rd.CommittedEntries
  3. Apply committed entries to MVCC
  4. Return apply result to client

Add/Remove a node

當(dāng) Leader 收到 Configuration Change 的消息之后庆杜,它就將新的配置(后面叫 C-new射众,舊的叫 C-old) 作為一個(gè)特殊的 Raft Entry 發(fā)送到其他的 Follower 上面,任何節(jié)點(diǎn)只要收到了這個(gè) Entry晃财,就開始直接使用 C-new叨橱。當(dāng) C-new 這個(gè) Log 被 committed,那么這次 Configuration Change 就結(jié)束了。當(dāng)在 TiKV 以及 etcd 里面罗洗,并沒有使用這種方式愉舔,只有當(dāng) C-new 這個(gè) Log 被 committed 以及被 applied 之后,節(jié)點(diǎn)才知道最新的 Configuration 的情況伙菜。這樣做的方式是比較簡(jiǎn)單轩缤,但需要注意幾點(diǎn):

  • 當(dāng) Log 里面有一個(gè) Configuration Change 還沒有被 committed,不允許接受新的 Configuration Change 請(qǐng)求贩绕,主要是為了防止出現(xiàn)多 Leader 情況火的。
  • 如果只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn),需要移除一個(gè)節(jié)點(diǎn)淑倾,如果 Leader 在發(fā)起命令之后馏鹤,另一個(gè)節(jié)點(diǎn)掛了,這時(shí)候系統(tǒng)沒法恢復(fù)了踊淳。

WAL

為了保證數(shù)據(jù)的安全性(crash或者宕機(jī)下的恢復(fù))假瞬,都會(huì)使用WAL,etcd也不例外迂尝。etcd中的每一個(gè)事務(wù)操作(即寫操作)脱茉,都會(huì)預(yù)先寫到事務(wù)文件中。


Snapshot

etcd作為一個(gè)高可用的KV存儲(chǔ)系統(tǒng)垄开,不可能只依靠log replay來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)琴许。因此,etcd還提供了snapshot(快照)功能溉躲。snapshot即是定期把整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)保存成一個(gè)單獨(dú)的快照文件榜田,這樣一來,不但縮短了日志重放的時(shí)間锻梳,也減輕了WAL的存儲(chǔ)量箭券,過早的WAL可以刪除掉。
假設(shè) 3 個(gè)節(jié)點(diǎn)疑枯,然后新加入了一個(gè)節(jié)點(diǎn)辩块,如果 Leader 在給新的 Follower 發(fā)送 Snapshot 的時(shí)候,另一個(gè) Follower 當(dāng)?shù)袅司S溃@時(shí)候整個(gè)系統(tǒng)是沒法工作了废亭,只有等 Follower 完全收完 Snapshot 之后才能恢復(fù)。為了解決這個(gè)問題具钥,我們可以引入 Learner 的狀態(tài)豆村,也就是新加入的 Learner 節(jié)點(diǎn)是不能算 Quorum 的,它不能投票骂删。只有 Leader 確認(rèn)這個(gè) Learner 接受完了 Snapshot掌动,能正常同步 Raft Log 了四啰,才會(huì)考慮將其變成正常的可以 Vote 的節(jié)點(diǎn)。


Joint Consensus


References

?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請(qǐng)聯(lián)系作者
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