Nacos 是如何实现 Raft 协议的？Raft 协议的关键组件和流程是什么？

Nacos 如何实现 Raft 协议？

Nacos 自身并没有从零开始实现 Raft 协议。它采用了更成熟的做法：

1. 集成成熟的 Raft 库: Nacos (特别是 Nacos 2.x 版本) 集成了一个成熟、经过生产验证的 Raft 协议实现库。最核心的是 JRaft（一个基于 Java 的 Raft 算法实现，源自蚂蚁集团/Alipay）。通过集成 JRaft，Nacos 直接利用其提供的 Raft 能力，处理复杂的 Raft 细节，如日志复制、领导者选举、成员变更等。

2. 应用范围: Nacos 主要在 集群模式 下使用 Raft 协议，并为 CP (Consistency Protocol) 提供了良好的支持。Raft 在 Nacos 中主要用于：

   • Nacos 服务器节点间的领导者选举 (Leader Election): 在 Nacos 集群中，需要有一个 Leader 节点来负责处理写操作或协调任务，以保证数据的一致性。Raft 协议被用来在集群节点中自动选举出Leader。
   • 元数据和关键数据的一致性: 对于需要强一致性的数据（例如服务的元数据、持久化的配置信息、集群节点信息等），Nacos 会利用 Raft 的日志复制机制，确保这些数据在集群中的多数派节点上达成一致。当 Leader 收到写请求时，它会将操作记录为一条日志条目，通过 Raft 协议将这条日志复制给 Follower 节点，只有当日志被多数派节点确认后，操作才会被提交并应用到状态机（即 Nacos 的业务数据存储）。
   • 集群成员管理: Raft 也参与管理 Nacos 集群自身的成员变更（节点的加入和离开）。

3. 与 Nacos 业务逻辑的结合:

   • Nacos 将需要通过 Raft 保证一致性的操作封装成 Raft 的日志条目 (Log Entry)。
   • Nacos 将其业务数据存储（如内存中的服务注册表、配置信息等）作为 Raft 的状态机 (State Machine)。
   • 当 Raft 协议确定一条日志条目已经被提交 (Committed) 后，Nacos 会调用 JRaft 提供的回调接口，将这条日志条目中的操作应用 (Apply) 到自己的状态机上，从而更新业务数据。

重要区分:

• 并非所有数据都走 Raft: Nacos 为了性能和可用性，区分了 AP (Availability Priority) 和 CP (Consistency Priority) 数据。对于服务实例的注册与发现这类要求高可用和高性能的数据（AP 数据），Nacos 2.x 主要使用其自研的 Distro 协议（一种类 Gossip 的协议，优化了AP场景下的数据同步）进行节点间的数据同步，而不是 Raft。只有那些明确标记为需要强一致性（CP）的数据或操作（如持久化服务、部分配置管理操作、集群管理）才会走 Raft 协议。

Raft 协议的关键组件和流程

Raft 是一种比 Paxos 更易于理解和实现的分布式一致性算法。它的核心思想是将一致性问题分解为三个相对独立的子问题：

1. 领导者选举 (Leader Election):

   • 组件:
     • 节点角色:
       • Leader (领导者): 集群中同一时间只能有一个 Leader。它负责处理所有客户端的请求（写操作），管理日志复制，并向 Follower 发送心跳。
       • Follower (跟随者): 被动角色。响应来自 Leader 和 Candidate 的请求。如果一段时间内没有收到 Leader 的心跳，就会转变为 Candidate并发起选举。
       • Candidate (候选人): 用于选举新 Leader 的临时角色。Follower 超时后转变为 Candidate，向其他节点请求投票。
     • 任期 (Term): 如果 Candidate 赢得选举，它在该任期内担任 Leader。如果选举失败（没有获得多数票），则退回 Follower 状态，任期用于检测过期的信息。
   • 流程:
     • 初始状态或 Leader 失联后，Follower 在等待 Leader 心跳超时后，增加自己的当前任期号，转变为 Candidate。
     • Candidate 向集群中的其他所有节点发送 RequestVote RPC（远程过程调用），请求投票。
     • 其他节点收到 RequestVote 请求后，如果在当前任期内尚未投票给其他 Candidate，并且 Candidate 的日志至少和自己一样 (Raft 的安全性保证)，则投票给该 Candidate，并重置自己的选举计时器。
     • Candidate 如果收到了来自集群多数派节点的投票，则赢得选举，成为新的 Leader。
     • 成为 Leader 后，立即向所有 Follower 发送心跳（空的 AppendEntries RPC）以宣告自己的领导地位，并阻止新的选举发生。
     • 如果在选举期间，Candidate 收到了来自具有更高或相等任期的新 Leader 的 AppendEntries RPC，则承认该 Leader，并立即转变为 Follower。
     • 如果选举超时（例如发生网络分区导致选票分裂），没有 Candidate 获得多数票，则当前任期结束，Candidate 增加任期号，开始新一轮选举（通过随机化的选举减少冲突）。

2. 日志复制 (Log Replication):

   • 组件:
     • 复制日志 (Replicated Log): 每个节点都维护一个包含一系列命令（操作）的日志。日志条目按顺序编号（索引），并包含对应的任期号。
     • 状态机 (State Machine): 实际存储业务数据的地方。所有节点的状态机初始状态相同。
     • 提交索引 (Commit Index): Leader 维护的所有日志条目的索引。
   • 流程:
     • 客户端的写请求首先发送给 Leader。
     • Leader 将该操作作为一个新的日志条目追加到自己的日志末尾。
     • Leader 通过 AppendEntries RPC 并行的将新的日志条目发送给所有 Follower。
     • Follower 收到 AppendEntries 请求后，进行一致性检查（检查前一个日志条目的索引和任期是否匹配），如果通过，则将新的日志条目追加到自己的日志中，并向 Leader 发送成功响应。
     • 当 Leader 收到多数派 Follower 对某个日志条目的成功响应后，Leader 就认为该日志条目是已提交 (Committed) 的。Leader 会更新自己的 Commit Index。
     • Leader 在后续的 AppendEntries RPC（包括心跳）中，会告知 Follower 当前的 Commit Index。
     • Follower 收到 Leader 的 Commit Index 后，会知道哪些日志条目是已提交的。
     • 节点（包括 Leader 和 Follower）按顺序将已提交的日志条目应用（Apply）到自己的状态机中，更新业务数据。Raft 保证所有节点最终会以相同的顺序应用相同的日志条目。

3. 安全性 (Safety):

   • Raft 包含多项机制来确保系统的一致性和正确性（即使在发生网络分区、节点崩溃等故障）：
     • 选举安全 (Election Safety): 每个任期内只有一个 Leader 会被选举出来。
     • 领导者只追加 (Leader Append-Only): Leader 不会覆盖或删除自己的日志条目，只会追加。
     • 日志匹配 (Log Matching Property): 如果两个不同日志中的条目拥有相同的索引和任期号，那么它们存储的命令是相同的，并且它们之前的所有日志条目也都完全相同。这是通过 AppendEntries 中的一致性检查实现的。
     • 领导者完整性 (Leader Completeness Property): 如果某个日志条目在某个任期被提交了，那么它一定会出现在所有更高任期的 Leader 的日志中。
     • 状态机安全 (State Machine Safety Property): 如果一个节点已经将某个索引的日志条目应用到其状态机，那么其他任何节点在相同索引位置应用的一定是相同的日志条目。这是因为只有已提交的日志才能被应用。

总结: Nacos 利用 JRaft 库实现了 Raft 协议，主要用于 Nacos 集群自身的 Leader 选举和 CP 数据的强一致性同步。Raft 协议通过领导者选举、日志复制和一系列安全性机制，确保了分布式环境下数据的一致性。