MIT 6.824 Lab2A Raft之领导者选举

实验准备

1. 实验代码：git://g.csail.mit.edu/6.824-golabs-2021/src/raft
2. 如何测试：go test -run 2A -race
3. 相关论文：Raft Extended Section 5.2
4. 实验指导：6.824 Lab 2: Raft (mit.edu)

实验目标

实现Raft算法中Leader Election（RequestVote RPC）和Heartbeats（AppendEntries RPC）。确保只有一个Leader被选中，且若无错误该Leader会一直唯一存在，当该Leader下线或发生其他错误导致发出的数据无法被成功接收，则会产生新的Leader来替代。

一些提示

1. 参考论文的Figure 2实现相应的结构体和函数。
2. 通过Make()创建一个后台goroutine，用于一段时间（election timeout）没收到其他节点的消息时，通过RequestVote RPC发起选举。
3. 尽量保证不同节点的election timeout不会让他们在同一时间发起选举，避免所有节点只为自己投票，可以通过设置随机的election timeout来实现。
4. 测试要求Hearbeats频率每秒不高于10次。
5. 测试要求New Leader在Old Leader下线后5秒内出现，考虑到一次换届多轮选举的情况（提示3的情况），election timeout应当足够短。
6. 论文中对于election timeout设定在150ms - 300ms之间，前提是Heartbeat频率远远超过150ms一次。由于提示4的限制，实验中election timeout应该更大。
7. 推荐使用time.Sleep()而不是time.Timer或time.Ticker来实现定期或延迟行为。
8. 不要忘记实现GetState()。
9. 使用rf.killed()判断测试是否关闭了该节点。
10. RPC相关结构字段都应使用大写字母开头，这和Go语言的语法有关。

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Raft简介

日志被理解为来自客户端的请求序列，在一个集群中，有唯一的一个节点用于接收客户端请求，称为"Leader Node"，为了保证数据的安全性，"Leader Node"的日志应该复制给若干个节点用于备份，称为"Follower Node"。"Follower Node"的日志需要和"Leader Node"保持一致，Raft就是一种为了管理日志复制而产生的一致性算法。

领导者选举

Raft集群通常有奇数个节点，设为N，集群允许N/2个节点失效，在正常情况下，集群有1个Leader和N-1个Follower组成，当Leader失效时，会产生除了Leader和Follower外的第三种身份：Candidate。

Follower在election timeout后，身份转换为Candidate，在获取(N-1)/2个其他节点的选票后，身份转换为Leader。

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主要结构

首先是Raft结构，具体的属性在论文的Figure 2中已经给出，此外还需要额外的两个属性。

1. role：当前节点的身份。
2. lastRecv：上一次收到其他节点消息的时间。

被注释的字段在Part A中可以忽略，且在本小节中，为了方便理解，请先忽略currentTerm字段。

type Raft struct {
	mu          sync.Mutex
	peers       []*labrpc.ClientEnd	// 集群中所有的节点
	// persister   *Persister
	me          int			// 当前节点在peers中的索引
	dead        int32		// 标记当前节点是否存活

	lastRecv    time.Time
	role        Role

	currentTerm int
	votedFor    int
	// log         []LogEntry

	// commitIndex int
	// lastApplied int

	// nextIndex   []int
	// matchIndex  []int
}

超时选举

如果当前节点不是Leader，且超过election timeout未收到其他节点的消息，则发起选举。

此处设置election timeout在150ms - 300ms之间。

func (rf *Raft) electionTimeout() time.Duration {
    return time.Duration(150 + rand.Int31n(150)) * time.Millisecond
}

发起选举后，身份转换为Candidate，并通过RequestVote RPC获取其余节点的选票。在获取(N-1)/2个其他节点的选票后，身份转换为Leader。成为Leader后，需要立即向其余节点发送心跳，宣告自己的存在。

代码中的注释即论文Figure 2中的逻辑。

func (rf *Raft) elect() {
    for !rf.killed() {
        if rf.role == Leader || time.Since(rf.lastRecv) < rf.electionTimeout() {
            return
        }
        /* On conversion to candidate, start election. */
        rf.role = Candidate
        /* Vote for self. */
        rf.voteFor = rf.me
        voteCount := 1
        /* Reset election timer. */
        rf.lastRecv = time.Now()
        /* Send RequestVote RPCs to all other servers. */
        for i, peer := range rf.peers {
            if i == rf.me {
                continue
            }
            reply := RequestVoteReply{}
            peer.Call("Raft.RequestVote", &RequestVoteArgs{
                CandidateId: rf.me,
            }, &reply)

            if reply.VoteGranted {
                voteCount++
            }
        }
        /* If votes received from majority of servers: become leader. */
        if voteCount > len(rf.peers)/2 {
            rf.role = Leader
            rf.votedFor = -1
            rf.heartbeat()
        }
        time.Sleep(10 * time.Millisecond)
    }
}

Explain 1：如何理解rf.role == Leader？

Follower和Candidate都可以参加选举，Candidate可以参加的原因在于，选出一个Leader可能不止一轮选举，假设非常不幸，所有节点都在同一时刻发起选举，他们都把自己的选票投给了自己，那么本轮选举将无法选出Leader。

这时候将开启第二轮选举，因此不能限制只有Follower可以参与选举。

发送心跳

不携带日志的日志复制即心跳，Leader通过心跳刷新其余节点的election timeout。Hint 4限制了心跳频率在每秒10次，因此这里让心跳一次后休眠100ms。

func (rf *Raft) heartbeatInterval() {
    return 100 * time.Millisecond
}

func (rf *Raft) heartbeat() {
    for !rf.killed() {
        if rf.role != Leader {
            return
        }
        for i, peer := range rf.peers {
            if i == rf.me {
                continue
            }
            reply := AppendEntriesReply{}
            peer.Call("Raft.AppendEntries", &AppendEntriesArgs{}, &reply)
        }
    }
    time.Sleep(rf.heartbeatInterval())
}

RPC全称Remote Procedure Call，即远程过程调用，通俗的讲就是调用其他节点上的函数。例如peer.Call("Raft.AppendEntries", &args, &reply)，就是调用了对应节点的AppendEntries函数，参数是args，返回值保存在reply中。

heartbeat是主动，AppendEntries是被动。elect是主动，RequestVote是被动。

RequestVote

Candidate通过远程调用RequestVote，向其他节点索要选票。论文的Figure 2中也给出了RequestVoteArgs和RequestVoteReply的定义。在Part A中不需要关注LastLogIndex和LastLogTerm两个字段。同样的，为了方便理解，请先忽略Term的概念。

type RequestVoteArgs struct {
	Term         int
	CandidateId  int
	// LastLogIndex int
	// LastLogTerm  int
}

type RequestVoteReply struct {
	Term        int
	VoteGranted bool
}

在一轮投票中，每个节点只有一张选票，Candidate会投给自己，而Follower会投给第一个向他索要选票的Candidate。

代码中的注释即论文Figure 2中的逻辑。

RequestVote中需要刷新election timeout，一次换届多轮选举的情况。

func (rf *Raft) RequestVote(args *RequestVoteArgs, reply *RequestVoteReply) {
    reply.VoteGranted = false
    rf.lastRecv = time.Now()
    /* If votedFor is null or candidateId, grant vote. */
    if rf.votedFor == -1 || rf.votedFor == args.CandidateId {
        rf.votedFor = args.CandidateId
        reply.VoteGranted = true
    }
}

Explain 2：如何理解rf.votedFor == args.CandidateId？

逻辑上来说这个条件是没必要的，去掉这个条件依旧能通过所有测试。我猜测这个条件是为了防止回复的网络包丢失，发送方重传，因此需要接收方再次投出选票。

AppendEntries

Leader通过AppendEntries远程调用，刷新其他节点的election timeout，保证在自己存活期间，不会有其他节点发起选举。论文的Figure 2中也给出了AppendEntriesArgs和AppendEntriesReply的定义。

被注释的字段在Part A中不需要关注，同样的，为了方便理解，请先忽略Term字段。

type AppendEntriesArgs struct {
	Term         int
	// LeaderId     int
	// PrevLogIndex int
	// PrevLogTerm  int
	// Entries      []LogEntry
	// LeaderCommit int
}

type AppendEntriesReply struct {
	Term    int
	Success bool
}

Hint 2中，收到其他节点的消息，就刷新election timeout。因此RequestVote和AppendEntries中都需要更新rf.lastRecv。

func (rf *Raft) AppendEntries(args *AppendEntriesArgs, reply *AppendEntriesReply) {
    reply.Success = true
    rf.lastRecv = time.Now()
}

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唯一的Leader

竞选成功的条件为voteCount > len(rf.peers)/2且每个节点只有一张选票，这保证了最多只有一个节点达到竞选成功条件，保证了Leader的唯一性。

现在考虑唯一的Leader因为某些网络问题导致Leader的心跳无法发出，那么剩余的N-1个节点将会选出新的Leader，剩余的N-1个节点可以继续提供正常的服务。那么如果Old Leader的网络问题因为某些原因恢复了，整个集群将同时出现两个Leader，这样整个集群的日志的一致性就不能保证。

引入任期

Term（任期）解决了可能出现多个Leader的问题。

Term是一个单调递增的整型值，所有节点的Term应保持一致，Term的自增只发生在从Follower到Candidate的转换中，即只有选举的时候，Term才会自增1。

再次考虑上面的问题，当Old Leader恢复后，由于剩余的N-1个节点又经历了至少一次选举，因此剩余的N-1个节点包括New Leader的Term都大于Old Leader的Term，Raft算法规定，任意节点感知到Term更高的节点，将转换为Follower；任意节点感知到Term更低的节点，将忽略对方的消息，并告知对方自己的Term。

这样，当Old Leader收到New Leader的更高Term的心跳时，会将自己的身份转换为Follower，保证了Leader的唯一性。

什么是感知到其他节点？

AppendEntries或RequestVote两个RPC的请求或回复中都包含Term，Old Leader感知到New Leader有两种途径。

1. 收到New Leader的心跳，发现AppendEntriesArgs.Term更高。
2. 向New Leader或其余节点发送心跳，发现AppendEntriesReply.Term更高。

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实验总结

上面的图片就是本文多次提及的论文的Figure 2，我用绿色的线框选了Part A需要实现的部分。

引入Term后的代码本文就不再给出了，参照图片补充剩余的实现就可以，需要注意的是，本文为了简洁代码，省略了数据同步问题，-race可以暴露出你代码的data race问题，记得为临界资源上锁。

最后，为了证明我不是在乱写，附上我的测试结果。