分布式-Raft算法(三)如何解决成员变更问题

介绍

关于成员变更，不仅是 Raft 算法中比较难理解的一部分，非常重要，也是 Raft 算法中唯一被优化和改进的部分。比如，最初实现成员变更的是联合共识（Joint Consensus），但这个方法实现起来难，后来 Raft 的作者就提出了一种改进后的方法，单节点变更（single-server changes）。

配置

是集群各节点地址信息的集合。比如节点 A、B、C 组成的集群，那么集群的配置就是[A, B, C]集合。

成员变更

在我看来，在集群中进行成员变更的最大风险是，可能会同时出现 2 个领导者。比如在进行成员变更时，节点 A、B 和 C 之间发生了分区错误，节点 A、B 组成旧配置中的“大多数”，也就是变更前的 3 节点集群中的“大多数”，那么这时的领导者（节点 A）依旧是领导者。

另一方面，节点 C 和新节点 D、E 组成了新配置的“大多数”，也就是变更后的 5 节点集群中的“大多数”，它们可能会选举出新的领导者（比如节点 C）。那么这时，就出现了同时存在 2 个领导者的情况。

图1

如果出现了 2 个领导者，那么就违背了“领导者的唯一性”的原则，进而影响到集群的稳定运行。要如何解决这个问题呢？

因为我们在启动集群时，配置是固定的，不存在成员变更，在这种情况下，Raft 的领导者选举能保证只有一个领导者。也就是说，这时不会出现多个领导者的问题，那我可以先将集群关闭再启动新集群啊。也就是先把节点 A、B、C 组成的集群关闭，然后再启动节点 A、B、C、D、E 组成的新集群。

这个方法不可行。为什么呢？因为你每次变更都要重启集群，意味着在集群变更期间服务不可用，肯定不行啊，太影响用户体验了。想象一下，你正在玩王者荣耀，时不时弹出一个对话框通知你：系统升级，游戏暂停 3 分钟。这体验糟糕不糟糕？

既然这种方法影响用户体验，根本行不通，那到底怎样解决成员变更的问题呢？最常用的方法就是单节点变更。

单节点变更

单节点变更，就是通过一次变更一个节点实现成员变更。如果需要变更多个节点，那你需要执行多次单节点变更。比如将 3 节点集群扩容为 5 节点集群，这时你需要执行 2 次单节点变更，先将 3 节点集群变更为 4 节点集群，然后再将 4 节点集群变更为 5 节点集群，就像下图的样子。

图2

现在，让我们回到开篇的思考题，看看如何用单节点变更的方法，解决这个问题。为了演示方便，我们假设节点 A 是领导者：

图3

目前的集群配置为[A, B, C]，我们先向集群中加入节点 D，这意味着新配置为[A, B, C, D]。成员变更，是通过这么两步实现的：

第一步，领导者（节点 A）向新节点（节点 D）同步数据；
第二步，领导者（节点 A）将新配置[A, B, C, D]作为一个日志项，复制到新配置中所有节点（节点 A、B、C、D）上，然后将新配置的日志项应用（Apply）到本地状态机，完成单节点变更。

图4

在变更完成后，现在的集群配置就是[A, B, C, D]，我们再向集群中加入节点 E，也就是说，新配置为[A, B, C, D, E]。成员变更的步骤和上面类似：

第一步，领导者（节点 A）向新节点（节点 E）同步数据；
第二步，领导者（节点 A）将新配置[A, B, C, D, E]作为一个日志项，复制到新配置中的所有节点（A、B、C、D、E）上，然后再将新配置的日志项应用到本地状态机，完成单节点变更。

图5

这样一来，我们就通过一次变更一个节点的方式，完成了成员变更，保证了集群中始终只有一个领导者，而且集群也在稳定运行，持续提供服务。

在正常情况下，不管旧的集群配置是怎么组成的，旧配置的“大多数”和新配置的“大多数”都会有一个节点是重叠的。也就是说，不会同时存在旧配置和新配置 2 个“大多数”：

图6

从上图中可以看到，不管集群是偶数节点，还是奇数节点，不管是增加节点，还是移除节点，新旧配置的“大多数”都会存在重叠（图中的橙色节点）。

需要你注意的是，在分区错误、节点故障等情况下，如果我们并发执行单节点变更，那么就可能出现一次单节点变更尚未完成，新的单节点变更又在执行，导致集群出现 2 个领导者的情况。

如果遇到这种情况，可以在领导者启动时，创建一个 NO_OP 日志项（也就是空日志项），只有当领导者将 NO_OP 日志项应用后，再执行成员变更请求。可参考 Hashicorp Raft 的源码，也就是 runLeader() 函数中：

noop := &logFuture{
        log: Log{
               Type: LogNoop,
        },
}
r.dispatchLogs([]*logFuture{noop})

小结

成员变更的问题，主要在于进行成员变更时，可能存在新旧配置的 2 个“大多数”，导致集群中同时出现两个领导者，破坏了 Raft 的领导者的唯一性原则，影响了集群的稳定运行。
单节点变更是利用“一次变更一个节点，不会同时存在旧配置和新配置 2 个‘大多数’”的特性，实现成员变更。
因为联合共识实现起来复杂，不好实现，所以绝大多数 Raft 算法的实现，采用的都是单节点变更的方法（比如 Etcd、Hashicorp Raft）。其中，Hashicorp Raft 单节点变更的实现，是由 Raft 算法的作者迭戈·安加罗（Diego Ongaro）设计的，很有参考价值。

Raft 不是一致性算法而是共识算法，是一个 Multi-Paxos 算法，实现的是如何就一系列值达成共识。并且，Raft 能容忍少数节点的故障。虽然 Raft 算法能实现强一致性，也就是线性一致性（Linearizability），但需要客户端协议的配合。在实际场景中，一般需要根据场景特点，在一致性强度和实现复杂度之间进行权衡。比如 Consul 实现了三种一致性模型。

default：客户端访问领导者节点执行读操作，领导者确认自己处于稳定状态时（在 leader leasing 时间内），返回本地数据给客户端，否则返回错误给客户端。在这种情况下，客户端是可能读到旧数据的，比如此时发生了网络分区错误，新领导者已经更新过数据，但因为网络故障，旧领导者未更新数据也未退位，仍处于稳定状态。
consistent：客户端访问领导者节点执行读操作，领导者在和大多数节点确认自己仍是领导者之后返回本地数据给客户端，否则返回错误给客户端。在这种情况下，客户端读到的都是最新数据。
stale：从任意节点读数据，不局限于领导者节点，客户端可能会读到旧数据。

一般而言，在实际工程中，Consul 的 consistent 就够用了，可以不用线性一致性，只要能保证写操作完成后，每次读都能读到最新值就可以了。比如为了实现冥等操作，我们使用一个编号 (ID) 来唯一标记一个操作，并使用一个状态字段（nil/done）来标记操作是否已经执行，那么只要我们能保证设置了 ID 对应状态值为 done 后，能立即和一直读到最新状态值就可以了，也就通过防止操作的重复执行，实现了冥等性。总的来说，Raft 算法能很好地处理绝大部分场景的一致性问题，我推荐你在设计分布式系统时，优先考虑 Raft 算法，当 Raft 算法不能满足现有场景需求时，再去调研其他共识算法。

分布式协议与算法之Raft算法第三篇

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成员变更

单节点变更

小结

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