在Rust中实施Raft的领导人选举

共识算法是一个始终引起我注意的主题：它复杂且困难，需要精确而安全的解决方案。换句话说：我们有几台机器组成一个集群，它们在相同数据的相同副本上运行，即使在某些服务器宕机的情况下也可以继续运行。此方法用于解决分布式系统中的许多问题。

为了稍微介绍一下我们目前的立场，我们必须谈论Paxos。在过去的十年或更长时间里，Paxos几乎是共识的同义词，因为它是大多数计算机科学课程中讲授的协议，共识的大多数实现都使用它。唯一的问题是Paxos确实很难理解，因此很难正确实施。因此，Diego Ongaro和John Ousterhout设计了Raft，其最重要的目标是使其易于理解。

鉴于Raft非常关注可理解性，因此将共识分解为三个相对独立的子问题（引用Raft论文）：

日志复制：领导者必须接受来自客户端的日志条目，并在整个集群中复制它们，从而迫使其他日志同意自己的日志条目

安全性：如果任何服务器已将给定日志条目应用于其状态机，则其他服务器均不得对同一日志索引应用不同的命令。

在此博客文章中，我将仅讨论领袖选举。我将在以后的其他博客文章中介绍另外两个主题！

一个Raft群集由几台服务器组成，五台是典型的服务器，因此使系统出现两个故障。此群集中的服务器处于以下三种可能状态之一：

筏将时间划分为任意长度，并用连续的整数编号。这些条款中的每一项都以选举开始，在该选举中，一个或多个候选人试图成为集群的领导者。当一个候选人赢得选举，它充当了的余下任期的领导者。为了更好地说明此过程，我们可以说明这些过渡。

Raft使用心跳机制触发选举。当服务器加入集群时，它们以跟随者的身份开始，只要他们从当前领导者那里收到有效的心跳，它们就保持这种状态。领导者定期向所有追随者发送心跳，以通知他们存在并维持其权威。当跟随者在一段时间内未收到心跳信号（以Raft“选举超时”命名）时，它将继续进行新的选举。

如果服务器获得多数票，则它将扮演领导者的角色

这是对领导人选举过程的非常简单和简短的解释，有关更多细节，请随时阅读本文！读起来很愉快。

Rust是一种为性能，安全性和安全并发而设计的编程语言。它是强类型的，已编译的，没有垃圾收集器的，并且没有运行时（也就是非常小的运行时）。

到2020年底，我通过阅读一些博客文章对Rust产生了兴趣。有了这个触发条件，我决定阅读The Rust Programming Language一书，并开始编写非常小的项目。只有很小的项目并不能告诉您有关现实世界中的语言的太多信息。因此，我决定实施与我的日常工作更相关的东西：处理分布式系统。

注意：如果您不熟悉该语言，则可以快速查看Rust的Gentle简介。

我决定使用该语言的最简单和最基本的结构。这意味着没有大的运行时，可以完成大部分工作的库等。因此，我最终仅将线程用于并发，将TCP用于RPC。

我最初的方法是找出最重要的类型，然后在代码中复制它们。

//类型示例。枚举状态{FOLLOWER，LEADER，CANDIDATE，}枚举LogEntry {心跳{term：u64，peer_id：String}，} struct Server {id：字符串，地址：SocketAddrV4，state：State，term：u64，log_entries：Vec＆lt; LogEntry＆gt; ，voted_for：选项＆lt;对等，next_timeout：选项＆lt;即时＆gt; ，config：ServerConfig，current_leader：选项＆lt;领导者＆gt; ，number_of_peers：usize，} //访问文件＆＃34; types.rs＆＃34;在仓库中查看所有类型定义。

定义好类型后，我便开始逐步实现状态转换。

为了重现此行为，我在Server内部实现了一个新方法，以确保所有服务器均以此状态启动。

impl Server {pub fn new（config：ServerConfig，number_of_peers：usize，address：SocketAddrV4，id：String，）-＆gt;自我{服务器{id：id，状态：State :: FOLLOWER，term：0，log_entries：Vec :: new（），voted_for：None，next_timeout：None，config：config，current_leader：None，number_of_peers：number_of_peers，地址：地址 ， } } }

现在，我们有一个以跟随者身份启动的服务器！我们去实现其余的状态转换。

如前所述，当Raft中的服务器在预定的时间内未收到来自领导者的心跳时，就会超时。每个服务器都有一个随机的超时设置，以确保服务器在不同的时间超时。

//最终的实现并不完全像这样，//但想法是相同的。 thread :: spawn（|| {循环{如果server .has_timed_out（）{new_election（＆amp; server）;}}}）；

因此，我们有一个运行无限循环的线程，始终检查服务器的超时。无论何时发生，都会触发新的选举。

// 1.将状态从关注者更改为候选服务器.state = State :: CANDIDATE; // 2.将当前项增加一台服务器.term = server .term + 1;服务器.refresh_timeout（）; // // 3.为服务器本身投票.voted_for = Some（对等{id：server .id .to_string（），address：server .address，}）; // 4.准备投票请求，并进行RPC请求let request_vote_rpc = Some（VoteRequest {term：new_term，候选人ID：id，}）let rpc_response = rpc_client .request_vote（request_vote_rpc）; // 5.如果服务器获得多数票，并且如果has_won_the_election（＆amp; server，rpc_response）{// 6.将心跳发送给所有关注者，则将成为领导者let log_entry = LogEntry :: Heartbeat {term：server .term，peer_id：服务器.id .to_string（），}; rpc_client .broadcast_log_entry（log_entry）; }

如果发生超时或服务器得不到多数票，它将再次开始选举，再次增加选任期。在Raft中，没有领导者可以有条件。

在选举过程中可能会发生另一种有趣的情况：选举集群中的另一台服务器，并开始发送心跳。发生这种情况时，我们的服务器会将状态从CANDIDATE更改为FOLLOWER，并将条款设置为当前领导者的条款。

//服务器接收心跳时的行为示例//如果接收到的心跳具有比自身更高的条件，它将成为跟随者。如果条款＆gt;服务器.term {信息！ （＆＃34;服务器{}成为关注者。新的领导者是：{}＆＃34;，server .id和peer_id）；服务器.term =术语;服务器.state = State :: FOLLOWER;服务器.voted_for = None;服务器.current_leader =某些（领导{id：peer_id .to_string（），term：term，}）}

这样，我们涵盖了Raft领导者选举算法中状态转换的所有步骤！

领导者选举的核心逻辑是在raft :: core包中实现的，其中放置了用于处理日志条目（心跳），选举和超时的函数。请访问完整的实现，以更详细地了解该代码。

RPC通过TCP连接完成。每个服务器以TPC侦听器启动，并创建与群集中所有其他服务器的客户端连接。

该实现未使用持久性存储，因此所有操作都在内存中完成。因此，通过使用Rust的Arc和Mutex组合，可以在许多功能之间共享Server实例。我花了一些时间来理解这些概念，但是一旦掌握了基础知识，事实证明非常简单！

有一个演示，运行并演示了在新集群中选拔领导者的过程。通过运行它，我们得到以下输出：

22:46:10 [INFO]在以下位置启动服务器：127.0.0.1:3300...22:46:10 [INFO]在以下位置启动服务器：127.0.0.1:3301...22:46:10 [INFO]启动服务器在：127.0.0.1:3302...22:46:11 [INFO]服务器server_1的超时为3秒。22：46：11 [INFO]服务器server_3的超时为6秒。22： 46:11 [INFO]服务器server_2的超时时间为5秒。22：46：14 [INFO]服务器server_1超时。22：46：14 [INFO]服务器server_1的期限为1，开始了选举过程0.22：46：14 [INFO]服务器服务器1已经赢得了选举！新术语是：122：46：14 [INFO]术语为0的服务器server_3，从服务器_1接收了术语122：46：14的心跳[INFO]服务器server_3成为跟随者。新的领导者是：server_122：46：14 [INFO]术语为0的服务器server_2，从服务器_1接收了术语为122：46：14的心跳[INFO]服务器server_2成为跟随者。新的领导者是：server_122：46：14 [INFO]术语为1的服务器server_3，从术语为122：46：14的server_1收到心跳[INFO]术语为1的服务器server_2，从术语为122：46：16的server_1接收到心跳[INFO]带有术语1的服务器server_3接收到带有术语122的server_1的心跳[INFO]带有术语1的服务器server_3从带有术语1的server_1接收到的心跳

用Rust编写代码非常愉快。语法非常好，它对emacs有很好的支持，Cargo非常简单易用，并且编译器确实可以帮助您发现错误。

不利的一面是学习曲线，至少对于习惯使用GC语言的我而言。 理解借阅检查器需要花费时间，并且在途中会出错-尽管它是语言的重要组成部分。 总而言之，在实施Raft领导人选举的两个星期中，我学到了很多东西，我强烈建议您也做类似的事情！ 这很有趣，您最终会学到很多东西。