Etcd Raft架构设计和源码剖析1:宏观架构

序言

Etcd提供了一个样例contrib/raftexample,用来展示如何使用etcd raft。这篇文章通过raftexample介绍如何使用etcd raft。

raft服务

raftexample是一个分布式KV数据库,客户端可以向集群的节点发送写数据和读数据,以及修改集群配置的请求,它使用etcd raft保持各集群之间数据的一致性。

cluster

etcd raft

etcd raft实现了raft论文的核心,所有的IO(磁盘存储、网络通信)它都没有实现,它做了解耦。

它是一个状态机,有数据作为输入,经过当前状态和输入,得到确定性的输出,即每个节点上都是一样的。

etcd-raft

raft应用架构

raft集群会由多个节点组成,客户端的请求发送给raft leader,再由raft leader通过网络通信在集群之中对请求达成共识。

集群中的每个节点从架构上都可以分为两层:

  • 应用层,负责处理用户请求,数据存储以及集群节点间的网络通信,
  • 共识层,负责相同和输入数据和状态,生成确定性的、一直的输出,

共识层由etcd raft负责,应用层要负责业务逻辑,数据存储和网络通信不需要应用层实现,而是由不同的模块负责,应用层负责起衔接存储存储和网络通信即可。

app-arch

应用层有3个重要组成部分:http API、kv store和raftNode。

http API

每个节点都会启动一个http API用来接受客户端请求,它只是接收请求,不对请求做处理。它会把客户端的写入请求PUT和查询请求GET都交给kv store。

对于修改raft集群配置请求,它会生成ConfChange交给raftNode。

kv store

一个kv数据库服务,它保存有一个kv db,用来存储用户数据

  • 对于查询请求,它直接从db中读取数据。
  • 对于写入请求,需要修改用户数据,这就需要集群节点使用raft对请求达成共识,它把请求传递给raftNode。

raftNode

raftNode用来跟etcd raft交互,他需要:

  • 把客户端的写请求,修改raft配置的请求交给etcd raft
  • 衔接网络通信跟etcd raft之间的桥梁,把etcd raft的消息发送出去,或接受到的raft消息交给raft
  • 保存raft的WAL和snapshot。

对于写请求,它会把请求数据编码后发送给etcd raft,etcd raft会把写请求封装成raft的Propose消息MsgProp,编码后的数据成为log Entry。因为raft并不关心具体的请求内容,它只需要保证每个集群节点在相同的log index拥有相同的log Entry,即请求即可。

raftNode还会启动1个http server,用来集群节点之间的通信,传递raft消息,让集群节点达成共识。它与http api是不同的,http api用来接收用户请求。

raftNode与raft交互

raft模块内部定义了一个Node接口,它代表了raft集群中的一个raft节点,它是应用层跟共识层交互的接口。

其中有几个与数据传递相关函数的是:

  • Propose:应用层通过此函数把客户端写请求传递raft。
  • ProposeConfChange:应用层通过此函数把客户端修改raft集群配置的请求传递raft。
  • Step:应用层把收到的raft集群之间通信的消息传递给raft。
  • Ready:raft对外的出口只有1个,就是Ready函数,Ready函数返回一个通道,应用层可以从这个通道中读到raft要输出的所有数据,这个数据被称为Ready结构体,包括log entry,集群间的通信消息等。
  • Advance:应用层处理完Ready结构体后,调用Advance通知raft,它已处理完刚读到的Ready结构体,raft可以根据最新状态生成下一个Ready结构体。

还有一个ApplyConfChange函数,当Ready结构体中包含修改raft集群配置的log entry时,应用层会调用此函数,把配置应用到raft。

raft架构

瞄完raft应用架构,可以从宏观角度看一下raft是如何跟应用层对接的。

raft包内部有2个很重要的结构体:node和raft。

node结构体

node结构体(后续称为raft.node)实现了Node接口,负责跟应用层对接,raft.node有个goroutine持续运行,应用层raftNode也有goroutine持续运行,raftNode调用raft.node的函数,每个函数都有对应的一个channel,用来把raftNode要传递给raft的数据,发送给raft.node。比如Propose函数的通道是proc,Step函数的通道是recvc。

raft结构体

raft结构体(后续称为raft.raft)是raft算法的主要实现。

raft.node把输入推给raft.raft,raft.raft根据输入和当前的状态数据生成输出,输出临时保存在raft内,raft.node会检查raft.raft是否有输出,如果有输出数据,就把输出生成Ready结构体,并传递给应用层。

raft.raft应用层有一个storage,存放的是当前的状态数据,包含了保存在内存中的log entry,但这个storage并不是raft.raft的,是应用层的,raft.raft只从中读取数据,log entry的写入由应用层负责。

raft-arch

几个存储相关的概念

WAL是Write Ahead Logs的缩写,存储的是log entry记录,即所有写请求的记录。

storage也是存的log entry,只不过是保存在内存中的。

kv db是保存了所有数据的最新值,而log entry是修改数据值的操作记录。

log entry在集群节点之间达成共识之后,log entry会写入WAL文件,也会写入storage,然后会被应用到kv store中,改变kv db中的数据。

Snapshot是kv db是某个log entry被应用后生成的快照,可以根据快照快速回复kv db,而无需从所有的历史log entry依次应用,恢复kv db。

一个写请求的处理过程

有了上面架构层面的了解,我们从宏观的角度看一下一个写请求被处理的过程。

  1. 客户端把写请求发给leader节点
  2. leader节点的http api接收请求,并把请求传递给kv store,kv sotre把写请求发送给raftNode,raftNode把写请求传递给raft.node
  3. leader节点的raft.node把写请求转化为log entry,并交给raft.raft,raft.raft生成发送给每一个follower的Append消息
  4. leader节点的raft.node取出raft.raft中的Append消息以及其他数据,封装成Ready传递给raft.Node
  5. leader节点的raft.Node把Ready中的entry保存到storage,然后把Ready中的消息,发送给相应的节点
  6. follower节点的raft.Node收到消息,把消息传递给raft.node,raft.node推给raft.raft
  7. follower的raft.raft处理Append消息,进行匹配和校验后,生成Append Response消息和保存log entry
  8. follower的raft.node从raft.raft获取数据,然后生成Ready传递给raft.Node
  9. follower节点的raft.Node把Ready中的entry保存到storage,然后把Ready中的消息,发送给相应的节点
  10. leader节点的raft.Node收到消息,把消息传递给raft.node,raft.node推给raft.raft
  11. leader节点的raft.raft处理Append Response消息,然后检查已经达成半数以上同意的log entry,更新已经被commit的log entry的index
  12. leader节点的raft.raft在创建Append等消息的时候,填写了已被commited的log index,所以下次在生成消息,并发送给follower后,follower就根据committed log index提交本地的log entry
  13. 无论是leader,还是follower在生成Ready的时候,会包含已经被committed的log entry,这些entry是等待应用到kv store的,raftNode拿到Ready后,会把这些entry取出来,传递给kv store,kv store会修改key-value的最新值。

总结

本文从宏观角度介绍了:

  • 使用etcd raft应用的架构
  • 使用etcd raft应用应当提供哪些功能供raft使用
  • 应用是如何和etcd raft交互的
  • etcd raft涉及到的存储概念
  • 一个写请求从客户端到在节点之间达成一致,应用到状态机的过程