cs-note/hhs/Redis/07-集群方案/Raft共识算法.md

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tags: [分布式, Raft, 共识算法, 选举, 故障转移]
create time: 2026-05-27 10:00
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# Raft 共识算法

## 概述

Raft 是一种分布式**共识算法**，用于让多个节点就某个值达成一致。它的设计目标是比 Paxos 更容易理解和实现。Redis Cluster 的故障转移（Failover）借鉴了 Raft 的**领导者选举**机制来选出新的 Master。

> [!NOTE] "Raft 式投票"不等于完整 Raft
> Redis Cluster 只使用了 Raft 的**选举（Leader Election）** 部分，并没有使用完整的 Raft 日志复制机制。Redis 的数据复制走的是自身的异步复制协议。所以文档中说的是"Raft **式**投票"。

## 一、为什么需要共识？

在分布式系统中，当一个节点宕机时，其他节点需要达成一致："这个节点确实挂了"，并且"由谁来接替它"。如果各节点自行判断、自行行动，就会出现混乱——比如两个节点同时认为自己应该接管服务。

> [!QUESTION] 直觉思考
> 一个 3 人小组的组长突然失踪了。剩下的两个人可以投票选出新组长。但如果 6 人小组刚好分成两个 3 人小组，两组各自选出了一个新组长——怎么办？这就是共识算法要解决的核心问题：**在有故障和网络分区的情况下，如何让大多数节点达成一致决定？**

## 二、Raft 选举核心机制

Raft 将节点分为三种角色：

- **Leader（领导者）**：负责处理所有写请求，向 Follower 复制日志
- **Follower（追随者）**：被动接收 Leader 的心跳和日志
- **Candidate（候选人）**：Follower 超时未收到心跳后，临时切换的角色，负责发起选举请求。如果赢得多数票则晋升为 Leader，失败则退回 Follower

> [!NOTE] 角色转换
> 所有节点初始都是 Follower。正常运行时只有 Follower → Candidate → Leader 这条路径。集群稳定后 Leader 持续发送心跳，Follower 保持被动，不会发起选举。

当 Follower 在一段时间内没有收到 Leader 的心跳，就会发起选举：

```mermaid
sequenceDiagram
    participant F1 as Follower 1
    participant F2 as Follower 2
    participant F3 as Follower 3

    Note over F1,F3: Leader 宕机，Follower 超时
    F1->>F1: 超时，升级为 Candidate
    F1->>F2: RequestVote (我的 term=2, 日志最新)
    F1->>F3: RequestVote (我的 term=2, 日志最新)
    F2->>F1: VoteGranted (同意)
    F3->>F1: VoteGranted (同意)
    Note over F1: 获得多数票<br/>成为新 Leader
    F1->>F2: AppendEntries (心跳, 我是 Leader)
    F1->>F3: AppendEntries (心跳, 我是 Leader)
```

### 关键概念

> [!QUESTION] 如果两个 Follower 同时超时会怎样？
> 它们会同时变成 Candidate 并各自向对方拉票——谁都拿不到多数票，选举失败。Raft 的解决办法是**随机化选举超时**：每个节点的超时时间在 `[T, 2T]` 区间内随机选取（T 通常为 150~300ms）。这样第一个超时的节点大概率会率先完成选举，避免了"选票被瓜分"的僵局。

| 概念 | 含义 | Redis Cluster 中的对应 |
|------|------|---------------------|
| **Term（任期）** | 逻辑时钟，每次选举递增 | **Epoch（集群纪元）** |
| **Election Timeout（选举超时）** | Follower 等待心跳的超时时间，超时则发起选举 | `cluster-node-timeout`（默认 15s） |
| **Heartbeat（心跳）** | Leader 定期向 Follower 发送 AppendEntries RPC 维持地位 | Master → Replica 的 PING/PONG |
| **RequestVote** | Candidate 请求投票的 RPC | Replica 向 Master 发起投票请求 |
| **多数派（Quorum）** | 超过半数节点同意 | 多数 Master 节点投票 |
| **先到先得** | 每个节点在一个 term 内只能投一票 | 同一个 epoch 内，每个 Master 只投一票 |
| **随机化超时** | 每个节点的选举超时设置为一个随机值，避免同时发起选举 | Replica 选举延迟与复制偏移量挂钩 |

> [!TIP] 为什么需要"多数派"？
> 在 N 个节点中，任何两个"多数派"一定有交集。这意味着不可能同时存在两个都获得了多数票的 Candidate——**保证了最多只有一个 Leader**。这是 Raft 正确性的基石。
>
> 数学上：如果 N=3，多数派是 2；如果 N=5，多数派是 3。这也解释了为什么 Redis Cluster 建议使用**奇数个 Master**——4 个 Master 的多数派是 3，只能容忍 1 个故障（和 3 个 Master 的容错能力完全相同），但多了一个节点的开销；而 5 个 Master 能容忍 2 个故障，容错能力真正提升了。

## 三、Redis Cluster 的 Failover 选举

Redis Cluster 将 Raft 选举简化应用到故障转移场景：

```mermaid
flowchart TD
    A["Master 宕机"] --> B["Replica 超时未收到心跳"]
    B --> C["Replica 将 epoch + 1"]
    C --> D["向所有 Master 请求投票"]
    D --> E{"获得多数票？"}
    E -->|是| F["提升为新 Master<br/>接管 slot 并广播"]
    E -->|否| G["等待随机超时后重试"]

    style A fill:#fce4ec,stroke:#e91e63
    style F fill:#e8f5e9,stroke:#4caf50
    style G fill:#fff3e0,stroke:#ff9800
```

**详细步骤：**

1. **超时检测**：Replica 发现 Master 超过 `cluster-node-timeout` 未响应 PONG
2. **纪元递增**：Replica 将当前 epoch 加 1（类似 Raft 的 term 递增）
3. **发起投票**：向集群中所有 Master 节点发送投票请求
4. **投票规则**：每个 Master 在同一个 epoch 内**只投一票**，先到先得
5. **赢得选举**：获得多数 Master 投票的 Replica 升级为 Master
6. **广播新配置**：新 Master 接管旧 Master 的所有 slot，通知集群所有节点

> [!WARNING] 选举失败怎么办？
> 如果多个 Replica 同时发起选举且票数被瓜分，谁都拿不到多数票——选举失败。Redis Cluster 的解决方案是**随机退避**：每个 Replica 等待一个随机时间后再发起下一轮选举，减少再次冲突的概率。
>
> **Redis 的巧妙设计**：这个随机延迟并非完全随机，而是与 Replica 的**复制偏移量（replication offset）** 挂钩——数据越新的 Replica，等待时间越短（`DELAY_FACTOR * 固定延迟 + 随机抖动`）。这保证了**数据最新的 Replica 大概率优先发起选举**，从而最大程度减少数据丢失。

## 四、与 Paxos 的简要对比

| 特性 | Raft | Paxos |
|------|------|-------|
| 可理解性 | 相对简单，角色清晰 | 极其晦涩，号称"只有一个人理解 Paxos" |
| 工程实现 | etcd、Consul、Redis（部分） | Google Chubby、Spanner |
| 适用场景 | Leader 选举 + 日志复制 | 任意值的共识 |
| 活跃节点要求 | 需要多数派存活 | 需要多数派存活 |

## 关联笔记

- [[hhs/Redis/07-集群方案]] — Redis Cluster 集群方案
- [[hhs/Redis/07-集群方案/脑裂问题]] — 当出现两个 Leader 时怎么办
- [[hhs/Redis/07-集群方案/Gossip协议]] — 节点间如何互相发现和交换状态
- [[hhs/Redis/07-集群方案/一致性哈希]] — 数据分片的基础理论