如何使用 raft 实现分布式 kv 存储

发表于 3年以前  | 总阅读数:271 次

开源实现中,hashicorp[1] 实现的 raft 最好理解,对外接口简洁,更接近论文。本次分享我们来看一下,如何使用 hashicorp 来构建分布式 kv 系统。源码来自 raftdb[2] 和 hraftdb[3]

整体架构

系统整体分为两层,fsm 状态机需要用户自己编写,满足 FSM 接口即可,一般为了性能考虑最好实现 BatchingFSM,当 raft module 模块完成与 follower 交互确认请求被 majority 大多数接收后,执行 fsm.Apply 将请求应用到状态机。

// FSM provides an interface that can be implemented by
// clients to make use of the replicated log.
type FSM interface {
 Apply(*Log) interface{}
 Snapshot() (FSMSnapshot, error)
 Restore(io.ReadCloser) error
}

type BatchingFSM interface {
 ApplyBatch([]*Log) []interface{}
 FSM
}

底层 raft module 模块均为 hashicorp 库提供,节点间通信使用 TCPTransport 实现了 Transport 接口。Log StoreStable Store 使用 hashicorp 定制的 raft-boltdb[4] 引擎。Snapshot 使用库提供的 FileSnapshot 文件快照。

FSM 实现

真正的分布式 kv 系统非常复杂,raftdb[5] 的状态机是一个普通的 map, 最精简的内存数据库

// Store is a simple key-value store, where all changes are made via Raft consensus.
type Store struct {
 RaftDir  string
 RaftBind string

 mu sync.Mutex
 m  map[string]string // The key-value store for the system.

 raft *raft.Raft // The consensus mechanism

 logger *log.Logger
}

type fsm Store

Storefsm 状态机的实现,m map[string]string 保存真正的 kv 数据。

// Apply applies a Raft log entry to the key-value store.
func (f *fsm) Apply(l *raft.Log) interface{} {
 var c command
 if err := json.Unmarshal(l.Data, &c); err != nil {
  panic(fmt.Sprintf("failed to unmarshal command: %s", err.Error()))
 }

 switch c.Op {
 case "set":
  return f.applySet(c.Key, c.Value)
 case "delete":
  return f.applyDelete(c.Key)
 default:
  panic(fmt.Sprintf("unrecognized command op: %s", c.Op))
 }
}

func (f *fsm) applySet(key, value string) interface{} {
 f.mu.Lock()
 defer f.mu.Unlock()
 f.m[key] = value
 return nil
}

func (f *fsm) applyDelete(key string) interface{} {
 f.mu.Lock()
 defer f.mu.Unlock()
 delete(f.m, key)
 return nil
}

Apply 实现 fsm.Apply 接口函数,简单的安全写入删除 map

// Snapshot returns a snapshot of the key-value store.
func (f *fsm) Snapshot() (raft.FSMSnapshot, error) {
 f.mu.Lock()
 defer f.mu.Unlock()

 // Clone the map.
 o := make(map[string]string)
 for k, v := range f.m {
  o[k] = v
 }
 return &fsmSnapshot{store: o}, nil
}

// Restore stores the key-value store to a previous state.
func (f *fsm) Restore(rc io.ReadCloser) error {
 o := make(map[string]string)
 if err := json.NewDecoder(rc).Decode(&o); err != nil {
  return err
 }

 // Set the state from the snapshot, no lock required according to
 // Hashicorp docs.
 f.m = o
 return nil
}

Snapshot 用于生成快照 snapshot, 简单的 clone map, 在真实分布式产品中一般都要结合底层存储引擎来实现,比如 rocksdb. Restore 用于回放快照。

启动服务

一般 raft 服务都要有两个端口,raftaddr 用于共识模块通信,httpaddr 用于用户请求与节点上下线,略去部分代码,只看 store.Open 实现

// Open opens the store. If enableSingle is set, and there are no existing peers,
// then this node becomes the first node, and therefore leader, of the cluster.
// localID should be the server identifier for this node.
func (s *Store) Open(enableSingle bool, localID string) error {
  ......
 // Setup Raft communication.
 addr, err := net.ResolveTCPAddr("tcp", s.RaftBind)

 transport, err := raft.NewTCPTransport(s.RaftBind, addr, 3, 10*time.Second, os.Stderr)
 // Create the snapshot store. This allows the Raft to truncate the log.
 snapshots, err := raft.NewFileSnapshotStore(s.RaftDir, retainSnapshotCount, os.Stderr)
 if err != nil {
  return fmt.Errorf("file snapshot store: %s", err)
 }

 // Create the log store and stable store.
 var logStore raft.LogStore
 var stableStore raft.StableStore

 boltDB, err := raftboltdb.NewBoltStore(filepath.Join(s.RaftDir, "raft.db"))
 logStore = boltDB
 stableStore = boltDB

 // Instantiate the Raft systems.
 ra, err := raft.NewRaft(config, (*fsm)(s), logStore, stableStore, snapshots, transport)
 if err != nil {
  return fmt.Errorf("new raft: %s", err)
 }
 s.raft = ra

 if enableSingle && newNode {
  s.logger.Printf("bootstrap needed")
  configuration := raft.Configuration{
   Servers: []raft.Server{
    {
     ID:      config.LocalID,
     Address: transport.LocalAddr(),
    },
   },
  }
  ra.BootstrapCluster(configuration)
 } else {
  s.logger.Printf("no bootstrap needed")
 }

 return nil
}
  1. 基于给定的 RaftBind 来创建 NewTCPTransport, 也可以是其它的协议,能通信就行,理论上 udp 不丢数据的情况也可以
  2. NewBoltStore 创建 boltDB 存储,用于 logStore 存储日志和 stableStore 保存状态
  3. 调用 NewRaft 创建 raft 服务,第一次启动后默认为 follower 状态
  4. 如果是新建的集群,需要 BootstrapCluster 初始化 raft 集群,join 方式加入的不需要

用户请求

所有 kv 操作都对应着 get/delete/post, 我们只看 Set 操作的实现。

// Set sets the value for the given key.
func (s *Store) Set(key, value string) error {
 if s.raft.State() != raft.Leader {
  return ErrNotLeader
 }

 c := &command{
  Op:    "set",
  Key:   key,
  Value: value,
 }
 b, err := json.Marshal(c)
 if err != nil {
  return err
 }

 f := s.raft.Apply(b, raftTimeout)
 return f.Error()
}

将本次操作封装成 command, json 序列化后调用 raft.Apply 去执行本次操作,返回值是 future 类型,f.Error() 会阻塞在这里,直到报错或是共识模块完成将数据写入 majority 节点,并调用 fsm.Apply 应用到状态机后返回。

其它 snapshot 等等暂时不看了,感兴趣的自行看源代码

测试

1. 启动并读写

关于如何启动三个节点测试,请参考 https://github.com/hanj4096/raftdb 文档,很简单。

$raftdb -id node01  -haddr raft-cluster-host01:8091 -raddr raft-cluster-host01:8089 ~/.raftdb

启动第一个节点时无需指定 join, 因为他是集群中第一个启动的

$raftdb -id node02 -haddr raft-cluster-host02:8091 -raddr raft-cluster-host02:8089 -join raft-cluster-host01:8091 ~/.raftdb

$raftdb -id node03 -haddr raft-cluster-host03:8091 -raddr raft-cluster-host03:8089 -join raft-cluster-host01:8091 ~/.raftdb

然后启动另外两个节点时,需要指定 join raft-cluster-host01:8091

host01# curl -XPOST http://raft-cluster-host01:8091/key -d '{"foo": "bar"}' -L
host01# curl http://raft-cluster-host01:8091/key/foo -L
{"foo":"bar"}

写入数据 foo:bar 后,可以从 raft-cluster-host01 节点上读出数据,没有问题

host01# curl -i http://raft-cluster-host02:8091/key/foo -L
HTTP/1.1 307 Temporary Redirect
Content-Type: text/html; charset=utf-8
Location: http://172.24.213.39:8091/key/foo
Date: Mon, 03 Aug 2020 09:58:38 GMT
Content-Length: 69

HTTP/1.1 200 OK
Date: Mon, 03 Aug 2020 09:58:38 GMT
Content-Length: 13
Content-Type: text/plain; charset=utf-8

{"foo":"bar"}

再试一下从其它节点读,发现做了 307 跳转,也就是只能从 leader 节点读写数据。

2. failover 切换

杀掉 raft-cluster-host01 节点,观察日志,发现 leader 己经转移

host02# tail -f nohup.out
2020-08-03T18:02:07.598+0800 [WARN]  raft: rejecting vote request since we have a leader: from=172.24.213.44:8089 leader=172.24.213.39:8089
2020-08-03T18:02:07.730+0800 [WARN]  raft: heartbeat timeout reached, starting election: last-leader=172.24.213.39:8089
2020-08-03T18:02:07.730+0800 [INFO]  raft: entering candidate state: node="Node at 172.24.213.40:8089 [Candidate]" term=439
2020-08-03T18:02:07.733+0800 [ERROR] raft: failed to make requestVote RPC: target="{Voter node01 172.24.213.39:8089}" error=EOF
2020-08-03T18:02:07.736+0800 [DEBUG] raft: votes: needed=2
2020-08-03T18:02:07.736+0800 [DEBUG] raft: vote granted: from=node02 term=439 tally=1
2020-08-03T18:02:09.277+0800 [DEBUG] raft: lost leadership because received a requestVote with a newer term
2020-08-03T18:02:09.282+0800 [INFO]  raft: entering follower state: follower="Node at 172.24.213.40:8089 [Follower]" leader=
host03# tail -f nohup.out
2020-08-03T18:02:07.596+0800 [WARN]  raft: heartbeat timeout reached, starting election: last-leader=172.24.213.39:8089
2020-08-03T18:02:07.596+0800 [INFO]  raft: entering candidate state: node="Node at 172.24.213.44:8089 [Candidate]" term=439
2020-08-03T18:02:07.598+0800 [ERROR] raft: failed to make requestVote RPC: target="{Voter node01 172.24.213.39:8089}" error="dial tcp 172.24.213.39:8089: connect: connection refused"
2020-08-03T18:02:07.600+0800 [DEBUG] raft: votes: needed=2
2020-08-03T18:02:07.600+0800 [DEBUG] raft: vote granted: from=node03 term=439 tally=1
2020-08-03T18:02:07.736+0800 [INFO]  raft: duplicate requestVote for same term: term=439
2020-08-03T18:02:09.275+0800 [WARN]  raft: Election timeout reached, restarting election
2020-08-03T18:02:09.275+0800 [INFO]  raft: entering candidate state: node="Node at 172.24.213.44:8089 [Candidate]" term=440
2020-08-03T18:02:09.277+0800 [ERROR] raft: failed to make requestVote RPC: target="{Voter node01 172.24.213.39:8089}" error="dial tcp 172.24.213.39:8089: connect: connection refused"
2020-08-03T18:02:09.279+0800 [DEBUG] raft: votes: needed=2
2020-08-03T18:02:09.279+0800 [DEBUG] raft: vote granted: from=node03 term=440 tally=1
2020-08-03T18:02:09.282+0800 [DEBUG] raft: vote granted: from=node02 term=440 tally=2
2020-08-03T18:02:09.282+0800 [INFO]  raft: election won: tally=2
2020-08-03T18:02:09.282+0800 [INFO]  raft: entering leader state: leader="Node at 172.24.213.44:8089 [Leader]"

可以看到超时之后,raft-cluster-host03 发起的选举收到了过半选票,当选为新的 leader

host03# curl -i http://raft-cluster-host03:8091/key/foo -L
HTTP/1.1 200 OK
Date: Mon, 03 Aug 2020 10:04:52 GMT
Content-Length: 13
Content-Type: text/plain; charset=utf-8

{"foo":"bar"}

经过测试,数据也可以从新的 leader 读取

3. 网络分区

chaos 测试有很多,包括网络分区,丢包等等,我们先用 iptables 制造网络分区,节点 raft-cluster-host01 只能收到 leader 节点 raft-cluster-host03 的数据,而无法发送。然后再将 iptables 去掉,再次查看 raft-cluster-host03 发现 leader 己经变成了 follower

host03# tail -f nohup.out
2020-08-03T18:22:19.770+0800 [ERROR] raft: peer has newer term, stopping replication: peer="{Voter node01 172.24.213.39:8089}"
2020-08-03T18:22:19.770+0800 [INFO]  raft: entering follower state: follower="Node at 172.24.213.44:8089 [Follower]" leader=
2020-08-03T18:22:19.770+0800 [INFO]  raft: aborting pipeline replication: peer="{Voter node02 172.24.213.40:8089}"
2020-08-03T18:22:19.789+0800 [DEBUG] raft: lost leadership because received a requestVote with a newer term
2020-08-03T18:22:21.507+0800 [DEBUG] raft: lost leadership because received a requestVote with a newer term
host01# tail -f nohup.out
2020-08-03T18:22:21.503+0800 [WARN]  raft: Election timeout reached, restarting election
2020-08-03T18:22:21.503+0800 [INFO]  raft: entering candidate state: node="Node at 172.24.213.39:8089 [Candidate]" term=509
2020-08-03T18:22:21.507+0800 [DEBUG] raft: votes: needed=2
2020-08-03T18:22:21.507+0800 [DEBUG] raft: vote granted: from=node01 term=509 tally=1
2020-08-03T18:22:21.510+0800 [DEBUG] raft: vote granted: from=node03 term=509 tally=2
2020-08-03T18:22:21.510+0800 [INFO]  raft: election won: tally=2
2020-08-03T18:22:21.510+0800 [INFO]  raft: entering leader state: leader="Node at 172.24.213.39:8089 [Leader]"
2020-08-03T18:22:21.510+0800 [INFO]  raft: added peer, starting replication: peer=node02
2020-08-03T18:22:21.510+0800 [INFO]  raft: added peer, starting replication: peer=node03
2020-08-03T18:22:21.511+0800 [INFO]  raft: pipelining replication: peer="{Voter node03 172.24.213.44:8089}"
2020-08-03T18:22:21.512+0800 [INFO]  raft: pipelining replication: peer="{Voter node02 172.24.213.40:8089}"

查看日志可以看到,raft-cluster-host01 节点上线后,由于 term 非常大,并且 iptables 网络分区期间,leader 并没有新数据生成,所以抢主成功。

当网络分区再上线后,candidate term 远大于 leader, 就会发现这种现象。由于 raft 是 CP 系统,没有 leader 就无法提供访问,所以很多库都针对这个问题做了优化,如何优化呢?以后再讲

小结

这次分享就这些,以后面还会分享更多 etcd 与 raft 的内容。

参考资料

[1]hashicorp raft: https://github.com/hashicorp/raft,

[2]raftdb: https://github.com/hanj4096/raftdb,

[3]hraftdb: https://github.com/otoolep/hraftd,

[4]raft-boltdb: github.com/hashicorp/raft-boltdb,

[5]raftdb: https://github.com/hanj4096/raftdb,

本文由哈喽比特于3年以前收录,如有侵权请联系我们。
文章来源:https://mp.weixin.qq.com/s/ba9yvDdLZ3BnLGWsPhW5jg

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