面试题：分布式系统中Raft算法的核心概念

Question

请阐述Raft算法中的领导者（Leader）、跟随者（Follower）和候选人（Candidate）的角色及其状态转换过程。

Answer 1

角色

1. 领导者（Leader）：
   • 职责：负责处理客户端请求，将日志条目复制到其他节点，并维护与跟随者的心跳（Heartbeat）。领导者是整个Raft集群中唯一能接收客户端请求的角色，它会将请求转换为日志条目，然后通过心跳机制同步到其他节点。
   • 特点：在一个任期（Term）内，集群中只有一个领导者。领导者持续向跟随者发送心跳信息，以维持自己的领导地位并告知跟随者当前任期号。
2. 跟随者（Follower）：
   • 职责：被动接收来自领导者的心跳和日志条目。如果在一定时间内没有收到领导者的心跳，跟随者会转变为候选人状态。跟随者不会主动发起选举，只是响应候选人的投票请求。
   • 特点：跟随者处于被动状态，主要用于备份日志和协助领导者达成共识。它会根据领导者的指令更新自己的日志。
3. 候选人（Candidate）：
   • 职责：发起选举过程，向其他节点请求投票。候选人会增加当前任期号，并向集群中的其他节点发送投票请求消息。如果获得大多数节点的投票，候选人就会转变为领导者。
   • 特点：候选人在选举过程中处于竞争领导地位的状态，它的主要任务就是获取足够的选票以成为领导者。

状态转换过程

1. 跟随者 -> 候选人：
   • 触发条件：跟随者在选举超时（Election Timeout）内没有收到领导者的心跳时，会转变为候选人。选举超时时间是一个随机值，一般在150 - 300毫秒之间。
   • 转换动作：候选人会增加当前任期号，向集群中的其他节点发送投票请求（RequestVote RPC），并开始等待其他节点的响应。
2. 候选人 -> 领导者：
   • 触发条件：候选人在一个任期内获得集群中大多数节点的投票（超过半数节点投票给自己）。
   • 转换动作：候选人转变为领导者，开始向其他节点（跟随者）发送心跳消息，以维持领导地位并开始处理客户端请求。
3. 候选人 -> 跟随者：
   • 触发条件：
     • 候选人在等待投票过程中，收到了来自其他节点（领导者或其他候选人）更高任期号的消息（如心跳或投票请求），意识到自己的任期号过时，会主动转变为跟随者。
     • 如果候选人在发起选举后，没有在一定时间内获得大多数节点的投票，也会重新回到跟随者状态，等待下一次选举超时重新发起选举。
   • 转换动作：将自己的状态设置为跟随者，更新自己的任期号为接收到的更高任期号，停止发送投票请求，开始接收并处理来自领导者的心跳和日志条目。
4. 领导者 -> 跟随者：
   • 触发条件：领导者收到来自其他节点更高任期号的消息（如投票请求或心跳），意识到自己的任期号过时，会转变为跟随者。
   • 转换动作：领导者将自己的状态设置为跟随者，更新自己的任期号为接收到的更高任期号，停止处理客户端请求和发送心跳，开始接收并处理来自新领导者的心跳和日志条目。