Raft协议

Raft最初是一个用于管理复制日志的共识算法[1]，它是一个为真实世界应用建立的协议，主要注重协议的落地性和可理解性。Raft是在非拜占庭故障下达成共识的强一致协议。 在区块链系统中，使用Raft实现记账共识的过程可以描述如下：首先选举一个leader，接着赋予leader完全的权力管理记账。leader从客户端接收记账请求，完成记账操作，生成区块，并复制到其他记账节点。有了leader简化了记账操作的管理。例如，leader能够决定是否接受新的交易记录项而无需考虑其他的记账节点，leader可能失效或与其他节点失去联系，这时，系统就会选出新的leader。 给定leader方法，Raft将共识问题分解为三个相对独立的子问题。 ·leader选举：现有的leader失效时，必须选出新leader。 ·记账：leader必须接受来自客户端的交易记录项，在参与共识记账的节点中进行复制，并使其他的记账节点认可交易所对应的区块。 ·安全：若某个记账节点对其状态机应用了某个特定的区块项，其他的服务器不能对同一个区块索引应用不同的命令。 1.Raft基础 一个Raft集群通常包含5个服务器，允许系统有两个故障服务器。每个服务器处于3个状态之一：leader、follower或candidate。正常操作状态下，仅有一个leader，其他的服务器均为follower。follower是被动的，不会对自身发出请求而是对来自leader和candidate的请求做出响应。leader处理所有的客户端请求（若客户端联系follower，则该follower将转发给leader）。candidate状态用来选举leader。 Raft阶段主要分为两个，首先是leader选举过程，然后在选举出来的leader基础上进行正常操作，比如日志复制、记账等。 2.leader选举 当follower在选举超时时间内未收到leader的心跳消息，则转换为candidate状态。为了避免选举冲突，这个超时时间是一个150~300ms之间的随机数。 一般而言，在Raft系统中： 1）任何一个服务器都可以成为一个候选者candidate，它向其他服务器follower发出要求选举自己的请求。 2）其他服务器同意了，发出OK。注意，如果在这个过程中，有一个follower宕机，没有收到请求选举的要求，此时候选者可以自己选自己，只要达到N/2+1的大多数票，候选人还是可以成为leader的。 3）这样这个候选者就成为了leader领导人，它可以向选民也就是follower发出指令，比如进行记账。 4）以后通过心跳进行记账的通知。 5）一旦这个leader崩溃了，那么follower中有一个成为候选者，并发出邀票选举。 6）follower同意后，其成为leader，继续承担记账等指导工作。 3.记账过程 Raft的记账过程按以下步骤完成： 1）假设leader领导人已经选出，这时客户端发出增加一个日志的要求； 2）leader要求follower遵从他的指令，都将这个新的日志内容追加到他们各自日志中； 3）大多数follower服务器将交易记录写入账本后，确认追加成功，发出确认成功信息； 4）在下一个心跳中，leader会通知所有follower更新确认的项目。 对于每个新的交易记录，重复上述过程。 如果在这一过程中，发生了网络通信故障，使得leader不能访问大多数follower了，那么leader只能正常更新它能访问的那些follower服务器。而大多数的服务器follower因为没有了leader，他们将重新选举一个候选者作为leader，然后这个leader作为代表与外界打交道，如果外界要求其添加新的交易记录，这个新的leader就按上述步骤通知大多数follower，如果这时网络故障修复了，那么原先的leader就变成follower，在失联阶段，这个老leader的任何更新都不能算确认，都回滚，接收新的leader的新的更新。 本节介绍了分布式系统中的常用共识算法。从介绍拜占庭将军问题开始，介绍了拜占庭容错系统、状态机拜占庭协议、实用拜占庭容错协议（PBFT）和Raft。其中拜占庭容错协议和Raft是联盟链和私有链上常用的共识算法。 而公共链的共识机制一般采用工作量证明（POW）和权益证明（POS）算法。下面进行介绍。