Raft协议–Leader选举–02

1、Leader选举的过程

1. Raft 使用心跳(heartbeat)触发Leader选举。
   1. 当服务器启动时，初始化为Follower。
   2. Leader向所有Followers周期性发送heartbeat。
   3. 如果Follower在选举超时时间内没有收到Leader的heartbeat，就会等待一段随机的时间后发起一次Leader选举。
      1. 每一个follower都有一个时钟，是一个随机的值，表示的是follower等待成为leader的时间，谁的时钟先跑完，则发起leader选举。
2. Follower发起leader选举。
   1. Follower将其当前term加1然后转换为Candidate。
   2. 它首先给自己投票并且给集群中的其他服务器发送 RequestVote RPC。
3. Candidate选举结果
   1. 赢得了多数的选票，成功选举为Leader；
      1. 如果获取的总结点一半的选票，直接成为Leader，可以不和其他Candidate对比。
   2. 收到了Leader的消息，表示有其它服务器已经抢先当选了Leader；
   3. 没有服务器赢得多数的选票，Leader选举失败，等待选举时间超时后发起下一次选举。

1.1、初始状态

初始状态下，集群中全部节点都是跟随者的状态。

以下图所示，有三个节点(Node) a、b、c，任期(Term)都为 0。

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Raft算法实现了随机超时时间的特性

每一个节点等待领导者节点心跳信息的超时时间间隔是随机的。举例如下 1. A节点等待超时的时间间隔150 ms 1. a节点最早由于没有等到领导者的心跳信息，发生超时。 2. B节点200 ms 3. C节点300 ms。 

以下图所示，三个节点的超时计时器开始运行

1.2、发起投票

当A节点的超时时间到了后，A节点成为候选者

讯享网1. 增加自己的任期编号，Term 值从 0 更新为 1 2. 给自己投了一票。 

当前各个节点情况

Node A：Term = 1, Vote Count = 1。 Node B：Term = 0。 Node C：Term = 0。 

1.3、成为领导者的简化步骤

1.3.1、第一步：节点A成为候选者后，向其他节点发送RPC信息，请它们选举自己为领导者。

1.3.2、第二步：节点B和节点C

1. 接收到节点A发送的请求投票信息后，在编号为1的这届任期内，还没有进行过投票，就把选票投给节点A。
2. 增加自己的任期编号。

1.3.3、第三步： 节点A收到3次投票，得到了大多数节点的投票

1. 从候选者成为本届任期内的新的领导者。

1.3.4、第四步：节点A作为领导者

1. 固定的时间间隔给节点B和节点C发送心跳信息
   1. 告诉节点B和C，不要发起新的选举。

1.3.5、第五步：节点B和节点C发送响应信息给节点A

1. 告诉节点A我是正常的。

2、raft算法的注意点

讯享网1. 自动增加 1. 跟随者在等待领导者心跳信息超时后，推荐自己为候选人，会增加自己的任期号，举例如下 1. 节点 A 任期为 0，推举自己为候选人时，任期编号增加为 1。 2. 更新为较大值 1. 当节点发现自己的任期编号比其他节点小时，会更新到较大的编号值。举例如下 1. 比如节点 A 的任期为 1，请求投票时，投票消息中包含了节点 A 的任期编号 1，节点 B 收到消息后，会将自己的任期编号更新为 1(0比1小)。 3. 恢复为跟随者： 1. 如果一个候选人或者领导者，发现自己的任期编号比其他节点小 1. 它会立即恢复成跟随者状态。 2. 这种场景出现在分区错误恢复后，任期为 3 的领导者受到任期编号为 4 的心跳消息，那么前者将立即恢复成跟随者状态。 4. 拒绝消息： 1. 如果一个节点接收到较小的任期编号值的请求，那么它会直接拒绝这个请求，举例如下 1. 任期编号为 6 的节点 A，收到任期编号为 5 的节点 B 的投票消息，那么节点 A 会拒绝这个消息。 6. 一个任期内，领导者一直都会领导者，直到自身出现问题(如宕机)，或者网络问题(延迟)，其他节点发起一轮新的选举。 7. 在一次选举中，每一个服务器节点最多会对一个任期编号投出一张选票，投完了就没了。 

3、触发新的一轮选举

如果领导者节点出现故障，则会触发新的一轮选举。如下图所示，领导者节点 A 发生故障，节点 B 和 节点 C 就会重新选举 Leader。

 第一步 ：节点 A 发生故障，节点 B 和节点 C 没有收到领导者节点 A 的心跳信息，等待超时。 第二步：节点 C 先发生超时，节点 C 成为候选人。 第三步：节点 C 向节点 A 和 节点 B 发起请求投票信息。 第四步：节点 B 响应投票，将票投给了 C，而节点 A 因为发生故障了，无法响应 C 的投票请求。 第五步：节点 C 收到两票(大多数票数)，成为领导者。 第六步：节点 C 向节点 A 和 B 发送心跳信息，节点 B 响应心跳信息，节点 A 不响应心跳信息。 

4、Leader选举的限制

1. 能被选举成为Leader的节点，一定包含了所有已经提交的日志条目。
   1. 在Raft协议中，所有的日志条目都只会从Leader节点往Follower节点写入，且Leader节点上的日志只会增加，绝对不会删除或者覆盖。
      1. 这意味着Leader节点必须包含所有已经提交的日志，即能被选举为Leader的节点一定需要包含所有的已经提交的日志。

5、影响 raft 选举成功率的几个时间参数

1. RTT(Round Trip Time)：网络延时
2. Heartbeat timeout：心跳间隔
   1. 通常应该比 election timeout 小一个数量级，目的是让 leader 能够持续发送心跳来阻止 followers 触发选举
3. election timeout：Leader 与 followers 间通信超时触发选举的时间
4. MTBF(Meantime Between Failure)：
   1. Servers 连续常规故障时间间隔
   2. RTT << Heartbeat timeout < Election timeout(ET) << MTBF