Rust分布式一致性算法库raft的使用，实现高可用性集群状态管理的Raft共识协议

问题与重要性

构建分布式系统时的一个主要目标通常是实现容错性。也就是说，如果网络中的某个特定节点宕机，或者出现网络分区，整个集群不会崩溃。参与分布式共识协议的节点集群必须就值达成一致，一旦做出决定，该选择就是最终的。

分布式共识算法通常采用复制状态机和日志的形式。每个状态机从其日志接受输入，并代表要复制的值，例如哈希表。它们允许一组机器作为一个连贯的组工作，可以承受其中一些成员的故障。

两个著名的分布式共识算法是Paxos和Raft。Paxos被Google用于Chubby等系统，而Raft则用于tikv或etcd等项目。Raft通常被认为比Paxos更容易理解和实现。

设计

Raft通过日志复制状态机。如果确保所有机器都有相同的日志序列，在按顺序应用所有日志后，状态机将达到一致状态。

一个完整的Raft模型包含4个基本部分：

1. 共识模块，核心共识算法模块；
2. 日志，保存Raft日志的地方；
3. 状态机，保存用户数据的地方；
4. 传输，用于通信的网络层。

注意：这个Rust实现的Raft仅包含核心共识模块，不包含其他部分。Raft crate中的核心共识模块是可定制的、灵活且弹性的。你可以直接使用Raft crate，但需要构建自己的日志、状态机和传输组件。

使用raft crate

你可以使用raft与rust-protobuf或Prost一起编码/解码gRPC消息。我们默认使用rust-protobuf。要使用Prost，请使用prost-codec功能构建（或依赖）Raft，而不使用默认功能。

示例代码

以下是一个使用Raft crate的基本示例：

use raft::{Config, RawNode};
use raft::storage::MemStorage;
use raft::eraftpb::{Message, ConfChange, ConfChangeType};

fn main() {
    // 创建存储
    let storage = MemStorage::new();
    
    // 配置Raft节点
    let cfg = Config {
        id: 1,
        election_tick: 10,
        heartbeat_tick: 1,
        ..Default::default()
    };
    
    // 创建原始Raft节点
    let mut node = RawNode::new(&cfg, storage).unwrap();
    
    // 模拟网络消息
    let mut msg = Message::default();
    msg.set_from(2);
    msg.set_to(1);
    msg.set_msg_type(raft::eraftpb::MessageType::MsgHeartbeat);
    
    // 处理消息
    node.step(msg).unwrap();
    
    // 获取待处理的消息
    let mut msgs = vec![];
    while let Some(m) = node.msgs().pop() {
        msgs.push(m);
    };
    
    // 打印处理后的消息
    println!("Processed messages: {:?}", msgs);
}

完整示例

以下是一个更完整的Raft集群实现示例，包含领导者选举、日志复制和状态机应用：

use raft::{
    Config, 
    RawNode,
    storage::{MemStorage, Storage},
    eraftpb::{
        Message, 
        Entry,
        MessageType,
        ConfChange,
        ConfChangeType
    }
};
use std::sync::Arc;
use std::thread;
use std::time::Duration;

// Raft节点包装器
struct RaftNode {
    id: u64,
    node: RawNode<MemStorage>,
    storage: Arc<MemStorage>,
}

impl RaftNode {
    fn new(id: u64, peers: Vec<u64>) -> Self {
        // 创建存储
        let storage = Arc::new(MemStorage::new());
        
        // 配置Raft节点
        let cfg = Config {
            id,
            election_tick: 10,
            heartbeat_tick: 1,
            max_size_per_msg: 1024 * 1024,
            max_inflight_msgs: 256,
            peers,
            ..Default::default()
        };
        
        // 创建原始Raft节点
        let node = RawNode::new(&cfg, storage.clone()).unwrap();
        
        RaftNode { id, node, storage }
    }
    
    // 处理接收到的消息
    fn step(&mut self, msg: Message) {
        self.node.step(msg).expect("Failed to step message");
    }
    
    // 推进逻辑时钟
    fn tick(&mut self) {
        self.node.tick();
    }
    
    // 获取待发送的消息
    fn get_messages(&mut self) -> Vec<Message> {
        let mut msgs = vec![];
        while let Some(m) = self.node.msgs().pop() {
            msgs.push(m);
        }
        msgs
    }
    
    // 提议新数据
    fn propose(&mut self, data: Vec<u8>) -> Result<(), raft::Error> {
        self.node.propose(vec![], data)
    }
    
    // 处理已经提交的日志条目
    fn process_committed_entries(&mut self) {
        if let Some(committed_entries) = self.node.ready().committed_entries.take() {
            for entry in committed_entries {
                if entry.get_data().is_empty() {
                    continue; // 忽略空条目
                }
                println!("Node {} applied entry: {:?}", self.id, entry);
                
                // 这里可以添加状态机应用逻辑
                // 例如: self.state_machine.apply(entry.get_data());
            }
        }
    }
}

fn main() {
    // 创建3个节点的集群
    let mut node1 = RaftNode::new(1, vec![2, 3]);
    let mut node2 = RaftNode::new(2, vec![1, 3]);
    let mut node3 = RaftNode::new(3, vec![1, 2]);
    
    // 模拟网络通信
    let mut network: Vec<Message> = vec![];
    
    // 模拟运行10个周期
    for _ in 0..10 {
        // 所有节点推进时钟
        node1.tick();
        node2.tick();
        node3.tick();
        
        // 收集所有节点产生的消息
        network.extend(node1.get_messages());
        network.extend(node2.get_messages());
        network.extend(node3.get_messages());
        
        // 处理网络消息
        for msg in network.drain(..) {
            match msg.get_to() {
                1 => node1.step(msg),
                2 => node2.step(msg),
                3 => node3.step(msg),
                _ => unreachable!(),
            };
        }
        
        // 处理已提交的日志条目
        node1.process_committed_entries();
        node2.process_committed_entries();
        node3.process_committed_entries();
        
        // 模拟网络延迟
        thread::sleep(Duration::from_millis(100));
    }
    
    // 节点1提议数据
    node1.propose(b"first proposal".to_vec()).unwrap();
    
    // 再运行几个周期让数据复制
    for _ in 0..5 {
        node1.tick();
        node2.tick();
        node3.tick();
        
        network.extend(node1.get_messages());
        network.extend(node2.get_messages());
        network.extend(node3.get_messages());
        
        for msg in network.drain(..) {
            match msg.get_to() {
                1 => node1.step(msg),
                2 => node2.step(msg),
                3 => node3.step(msg),
                _ => unreachable!(),
            };
        }
        
        node1.process_committed_entries();
        node2.process_committed_entries();
        node3.process_committed_entries();
        
        thread::sleep(Duration::from_millis(100));
    }
    
    println!("Raft cluster running successfully");
}

开发Raft crate

Raft使用最新版本的stable Rust构建，使用2018版。最低支持版本是1.44.0。

使用rustup可以这样开始：

rustup component add clippy
rustup component add rustfmt

为了让你的PR被合并，运行以下命令必须没有错误：

cargo test --all && \
cargo clippy --all --all-targets -- -D clippy::all && \
cargo fmt --all -- --check

使用Raft crate的项目

TiKV，一个由Rust和Raft驱动的分布式事务键值数据库。