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百度正式开源其Raft一致性算法实现braft

| 作者 徐川 关注 11 他的粉丝 发布于 2018年3月9日. 估计阅读时间: 12 分钟 | QCon上海2018 关注大数据平台技术选型、搭建、系统迁移和优化的经验。

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2017 年 9 月 14 日,百度正式在 GitHub 上基于 Apache 2.0 协议开源了其 RPC 框架 brpc。brpc 是一个基于 protobuf 接口的 RPC 框架,在百度内部称为“baidu-rpc”,它囊括了百度内部所有 RPC 协议,并支持多种第三方协议,从当时的性能测试数据来看,brpc 的性能领跑于其他同类 RPC 产品。

InfoQ 也曾对这一事件做了重点报道,到现在,brpc 已经有超过 6000 个关注,17 个代码贡献者,看来社区对这一开源项目还是极为关注,知乎上一个 ID 为彭哲夫的用户对 brpc 评价极高,他说:

BAT 开源这么「多」项目里面,brpc 应该是我见过最好的之一。

看文档就能学到不少工程领域用于处理特定稳定的不少手法,至于 CPP 其实不重要,语言只是工具。rpc 这个东西在工程领域说实话很容易被忽视,性能,接口,易用性什么的其实都需要权衡。而一般人只会看重性能这个说实话不算优先级最高的东西,当然不是说性能不重要啊,性能也要分场景的。

这个 brpc 关于测试那一部分写得太好了,抛开场景和业务逻辑用 echo helloworld 谈 QPS 就是耍流氓。同样的异步同步之争在豆瓣也探讨过,不是说异步就是银弹,同步就是药丸,也是要结合业务场景来选择的。这一些工程上小细节都写得挺不错的,就算用不上这个项目,也可以多读读其文档。

而在 2018 年 2 月初,brpc 团队又开源了其基于 brpc 的 Raft 一致性算法和可复制状态机的工业级 C++ 实现 braft。这个项目最初是为了解决百度各业务线上的状态服务单点隐患,后来则帮助百度工程师独立实现支持高负载和低延迟的分布式系统。项目地址如下:

https://github.com/brpc/braft

当前 braft 在百度内部大概有十几个应用场景,部署了 3000+ 服务器,有做 Master 模块 HA 的,也有用作存储节点复制修复的。其中百度云的块存储、NewSQL 存储以及即将推出的 NAS 存储、强一致性 MYSQL 都是原生基于 braft 构建的。为了了解更多关于 braft 的信息,InfoQ 记者采访了百度云架构师、braft 项目负责人王耀。

王耀目前担任百度云 IaaS 方向技术负责人。2010 年加入百度,一直从事基础架构相关工作,先后领导了百度分布式消息队列 bigpipe、分布式文件系统 NFS 和 AFS、分布式块存储 CDS 的设计开发工作,历经百度分布式存储系统发展的各个阶段。最近聚焦在网络虚拟化方向,专注 SDN 控制器和 DPDK 高性能转发网关。

同时,王耀也是 QCon 北京 2018 的讲师,他将会在会上分享《Raft 在百度云中的实践》相关内容,感兴趣的读者还请关注(会议时间是 4 月 20 日)。

InfoQ:请介绍一下 braft,它的主要特性有哪些?

王耀:braft 是基于 brpc 的 Raft 协议工业级 C++ 实现,设计之初就考虑高性能和低延迟。由百度云分布式存储团队打造,在百度内部已经有比较广泛的应用,比如一些关键模块的高可用,以及分布式块存储、分布式文件系统、分布式 NewSQL 系统、分布式文件系统等存储系统。它有如下特点:

  • braft 是一个功能完备且经过可靠性验证的 Raft 实现,支持 configuration change、prevote、leader transfer 等特性;

  • 高性能也是 braft 追求的核心目标,在实现的很多环节都进行了精细优化,比如无锁任务队列、log 的批量提交和执行以及一些逻辑原地执行等;

  • 接口简单容易理解,支持自定义扩展其中的 storage,拥有比较完善的错误回调。用简单的接口实现简单的概念,braft配合brpc即使经验不丰富的工程师也可以很容易的快速构建出健壮的分布式系统。

InfoQ:可否详细介绍一下 braft 的开发历程?

王耀:在构建分布式存储系统过程中,一般会有 Master 来实现一些节点加入离开、副本修复、负载均衡以及业务相关的元信息 CURD。对于这些 Master 模块的 HA 我们做过很多尝试,比如 keepalived、QJM 等,一直没有比较理想的解决方案。

在 2015 年中的时候,我们想到用 Raft 来解决这个问题,Raft 的复制状态机能够解决高可用的问题,选主和节点变更也非常方便,不用再依赖 ZK。

到 2015 年 11 月份,我们完成了 braft 的第一个版本的开发,用 clojure 搞了一个 jepsen 的测试 case,验证没有问题。

在 2016 年的 Q1 末我们开始使用 braft 构建新的分布式块存储,整个开发过程相比之前的存储系统要快很多,投入了 4 个半人力不到 2 个季度就完成了第一版开发,后续就是不断的迭代测试不断的打磨。这中间对 braft 的接口和协议做了一些改动,比如支持了 prevote、leader transfer,丰富一些回调和 stats 统计等等。

新的块存储系统在 2016 年底开始逐步小流量,并在 17 年中开始了漫长的新老系统数据迁移工作,当前百度云磁盘底层大部分已经是由新系统来承担了。在块存储测试上线的过程中,逐渐有一些其他的系统开始使用 braft,比如我们的 NewSQL 系统 TafDB、强一致数据库,以及一些业务关键模块 HA 等等。

InfoQ:braft 上线运行的情况如何?在线上是否踩过坑?

王耀:当前 braft 在百度内部大概有十几个应用场景,部署了 3000+ 服务器,有做 Master 模块 HA 的,也有用作存储节点复制修复的。其中百度云的块存储、NewSQL 存储以及即将推出的 NAS 存储、强一致性 MYSQL 都是原生基于 braft 构建的。除了传统的分布式存储还有一些偏业务的应用场景,比如百度地图开放平台用 rocksdb 和 braft 构建了一套轨迹服务系统,提供高可用的轨迹存储和计算服务。

braft 库本身踩的坑倒不多,更多的是库的使用过程中踩的坑:

  1. on_snapshot_load 的时候没有清空状态机导致状态数据错乱

  2. on_apply 的时候因为一些随机算法或者是因素导致主从执行结果不一致

  3. apply 的时候卡住了,切从又切成主,这个过程中这条数据被其他节点成功 apply 了,就会导致 log 被正常的执行了两遍

  4. on_leader_stop 的时候 leader 上的一些任务没有 cancel 掉导致 job 的下游节点出错;

这里面说明一下 braft 的测试情况,主要分为三部分:test 目录下面的 unit test;jepsen 目录下的 atomic example 的 jepsen 测试;分布式存储业务系统的压力和异常测试集群,在上百台服务器上注入类似 jepsen 的进程 kill/stop、网络划分、节点间单通、文件系统读写出错等异常。

InfoQ:braft 和 brpc 的关系是什么,两者是否绑定?

王耀:首先明确一下两者的目标:braft 是解决复制状态机问题,brpc 是解决模块间 RPC 通信问题。braft 中 Raft 协议的互通直接使用 brpc 实现,runtime 使用了 bthread,因此 braft 编译需要依赖 brpc,从这点来看 braft 和 brpc 有一定的绑定关系。

但是从另一个角度来看,braft 中核心的是协议状态机比如 log、snapshot、configuration 这些东西的抽象和实现,协议 RPC 只是其中一环,做一层 transport 抽象也可以比较容易的替换为其他的 coroutine based protobuf RPC 框架,对于非 coroutine based protobuf RPC 来讲,braft 只能用类似 logcabin 中 pthread 同步 RPC,这样就丧失了多复制组支持的特性,RPC 的回调改造成本就比较高了。

InfoQ:Raft 是否会成为分布式一致性算法的主流,是否还有提升空间?

王耀:当前来看 Raft 已经成为分布式一致性算法的主流,业界的 TiDB、CockroachDB、etcd、consul 等一系列流行的组件和服务都在使用,但是业界还有一些其他的 paxos 变种比如 epaxos,未来可能会有一种新的 Paxos 变种成为主流。

对于 Raft 来讲基于日志的连续提交的设定,相比 multi-paxos 的乱序提交在写入性能上会有些差距。对于 Raft 协议来讲没有太多改进空间了,但是对 braft 要做一个理想的 Raft 库实现的话,依然需要不断的改进和优化。

InfoQ:您从事基础架构研究工作多年,能否对从业人员分享一些经验?

王耀:做基础架构工作,第一要做的是时刻关注学术界和企业界的发展,多与同行交流来获取业界的发展动态,不断的提高自己的眼界,有助于做出更好的系统设计。

在大型系统设计的时候需要能够构建清晰的模型,模块怎么划分怎么交互。模型清晰之后就是系统的详细设计,分布式系统中有很多时序相关的东西和问题,不能像单机一样去调试,所以在设计阶段就要把系统中的每个细节都想清楚,能够推演系统的各个流程。思考系统中各种race condition,对于这些race condition要量力而行,避免过早设计过早优化导致项目延期;解决方案尽量简单,避免方案实现引入新的问题。

架构改进要数据说话,通过各种工具和日志等分析出系统架构中 top 的三个问题,然后针对这些问题制定相应的改造方案。这里需要注意的是方案设计不仅仅是提出一个全新的解决方案,还需要考虑如何把系统从当前方案迁移到新的方案,同时确保迁移过程是尽可能的平滑无损。

对于重大版本在开发测试完成之后,需要做几次上线演练,记录并修正演练过程中的非预期问题。这样经过几次迭代之后,系统的问题就会逐步收敛,当收敛到一定阶段之后,如果依然有一些比较大的问题难以修复,这个时候根据人力条件判断是继续在现有条件下规避问题,还是整体重构或者是部分重构来解决问题。

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