【TIDB】拜占庭将军问题和Raft算法

1 拜占庭将军问题（from 百度百科）

拜占庭将军问题是一个协议问题，拜占庭帝国军队的将军们必须全体一致的决定（数据的一致性）是否攻击某一支敌军。问题是这些将军在地理上是分隔开来的（分布式），并且将军中存在叛徒。叛徒可以任意行动以达到以下目标：欺骗某些将军采取进攻行动；促成一个不是所有将军都同意的决定，如当将军们不希望进攻时促成进攻行动；或者迷惑某些将军，使他们无法做出决定。如果叛徒达到了这些目的之一，则任何攻击行动的结果都是注定要失败的，只有完全达成一致的努力才能获得胜利。

拜占庭假设是对现实世界的模型化，由于硬件错误、网络拥塞或断开以及遭到恶意攻击，计算机和网络可能出现不可预料的行为。拜占庭容错协议必须处理这些失效，并且这些协议还要满足所要解决的问题要求的规范。这些算法通常以其弹性t作为特征，t表示算法可以应付的错误进程数。

很多经典算法问题只有在n ≥ 3t+1时才有解，如拜占庭将军问题，其中n是系统中进程的总数

 

2 Raft算法

Raft 算法是一种简单易懂的共识算法。它依靠 状态机 和 主从同步 的方式，在各个节点之间实现数据的一致性。

在学习Raft算法的时候，我们需要了解Raft的两个核心要点：

1. 选取主节点

2. 主从同步数据

不难理解，使用主从同步的方式，可以让集群各个节点的数据更新以主节点为准，从而保证了一致性。那么，如何选取主节点呢？

人类的出生，离不开无数小蝌蚪之间的激烈竞争。在竞争的过程中，某个速度最快运气最好的小蝌蚪最终胜出，让我们诞生到了这个世界。

同样道理，Raft算法在选择主节点的过程中，也是通过多个节点之间的投票竞争。

说到这里，不得不说一下Raft算法的状态机。Raft算法为节点定义了三种角色：

1. Leader（主节点）

2. Follower（从节点）

3. Candidate（参与投票竞争的节点）

2.1 如何选取主节点

让我们来看一看选主的具体流程：

第一步，在最初，还没有一个主节点的时候，所有节点的身份都是Follower。每一个节点都有自己的计时器，当计时达到了超时时间（Election Timeout），该节点会转变为Candidate。

第二步，成为Candidate的节点，会首先给自己投票，然后向集群中其他所有的节点发起请求，要求大家都给自己投票

第三步，其他收到投票请求且还未投票的Follower节点会向发起者投票，发起者收到反馈通知后，票数增加。

第四步，当得票数超过了集群节点数量的一半，该节点晋升为Leader节点。Leader节点会立刻向其他节点发出通知，告诉大家自己才是老大。收到通知的节点全部变为Follower，并且各自的计时器清零。

这里需要说明一点，每个节点的超时时间都是不一样的。比如A节点的超时时间是3秒，B节点的超时时间是5秒，C节点的超时时间是4秒。这样一来，A节点将会最先发起投票请求，而不是所有节点同时发起。

为什么这样设计呢？设想如果所有节点同时发起投票，必然会导致大家的票数差不多，形成僵局，谁也当不成老大。

那么，成为Leader的节点是否就坐稳了老大的位置呢？并不是。Leader节点需要每隔一段时间向集群其他节点发送心跳通知，表明你们的老大还活着。

一旦Leader节点挂掉，发不出通知，那么计时达到了超时时间的Follower节点会转变为Candidate节点，发起选主投票，周而复始……

数据同步

Raft 算法同步数据的方式, 和 XA 二段提交有一些相似

第一步，由客户端提交数据到Leader节点。

第二步，由Leader节点把数据复制到集群内所有的Follower节点。如果一次复制失败，会不断进行重试

第三步，Follower节点们接收到复制的数据，会反馈给Leader节点。

第四步，如果Leader节点接收到超过半数的Follower反馈，表明复制成功。于是提交自己的数据，并通知客户端数据提交成功。

第五步，由Leader节点通知集群内所有的Follower节点提交数据，从而完成数据同步流程。

共识算法的应用场景？

在用于共享配置和服务发现的 K-V 存储系统 [etcd] 中, 使用的就是 Raft 算法来保证分布式一致性

其他一致性算法

Paxos 算法：

早期的共识算法，由拜占庭将军问题的提出者 Leslie Lamport 所发明。谷歌的分布式锁服务 Chubby 就是以 Paxos 算法为基础。

ZAB 算法：

Zookeeper 所使用的一致性算法，在流程上和 Raft 算法比较接近。

PBFT 算法：

区块链技术所使用的共识算法之一，适用于私有链的共识。

 

参考：

https://www.jianshu.com/p/8e4bbe7e276c

http://www.miaomiaoqi.cn/2019/04/12/%E6%8B%9C%E5%8D%A0%E5%BA%AD%E5%B0%86%E5%86%9B%E9%97%AE%E9%A2%98(Raft%E7%AE%97%E6%B3%95)/