CN116055279A - 一种基于网络时延的加权投票共识方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于分布式云计算的技术领域，具体涉及一种基于网络时延的加权投票共识方法，用于选举出协调集群整体通信的主节点，以解决多副本状态机的一致性写入难题。现有基于投票的分布式共识算法未能考虑网络时延这一影响集群总体通信性能的关键因素，若网络较差的节点获得了多数选票成为主节点，将会极大减慢集群该轮任期的共识效率。本发明专利基于网络时延动态加权投票机制，各节点依据共识协议在从节点、候选节点及主节点的多个状态中切换。该方法能选举出协调集群整体通信的主节点，并保证每一轮主节点网络通畅且与其他节点总体通信时延较小，使得集群整体的写操作更快同步，读操作的滞后性得到改善。

Description

一种基于网络时延的加权投票共识方法

技术领域

本发明属于分布式云计算的技术领域，具体涉及一种基于网络时延的加权投票共识方法，用于解决多副本状态机的一致性写入难题。

本发明专利根据网络时延动态加权投票机制，实时选举出在集群网络拓扑中总体通信时延最低的节点作为主节点，以协调多副本状态机的最终一致性写入，达成数据共识。

背景技术

共识算法是解决分布式***中副本状态机一致性的问题。对于一个分布式***，期望达到如下特性：

使数据在地理位置上更接近用户，从而降低访问延迟；

当部分组件出现故障，***依然可以继续工作，从而提高可用性；

扩展至多台机器以同时提供数据访问服务，从而提高读吞吐量。

因此，共识算法的设计，需要考虑上述的使用场景。对于每一个副本状态机，以相同的状态开始，并按相同的顺序执行相同的指令，那么最终能达成一致的结果。然而在这一过程中，存在着各种出错的可能，为使副本状态机在部分同步网络环境下达成最终一致性，业界提出了基于投票的分布式共识算法，使得各节点能够在遵守该共识算法协议的前提下，自主协调完成分布式读写操作。但该算法未能考虑网络时延这一影响集群总体通信性能的关键因素，若网络较差的节点获得了多数选票成为主节点，将会极大减慢集群该轮任期的共识效率，甚至容易出现网络分区，进而导致局部区域客户端的写入操作迟迟无法提交，也会导致读取的信息严重滞后。

本专利发明了一种基于网络时延加权投票的共识方法，引入节点网络时延动态评估机制，保证每一轮负责协调的主节点网络通畅且与集群其他节点总体通信时延较小，使得集群整体的写操作更快同步，读操作的滞后性也得到改善。

发明内容

为解决上述技术问题中的至少之一，本发明提出一种基于网络时延加权投票的共识方法。本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于网络时延的加权投票共识方法，包括主节点、候选节点、从节点和客户端，具体步骤如下：

S1、各节点初始均为从节点状态，每个节点均维护一个随机时间数额的心跳定时器，当从节点定时器超时，则切换为候选节点状态；

S2、候选节点递增当前任期号，发起继任式选举，先为自己投一票，并通过网络设备向其他节点广播投票请求，同时记录发起请求的时间；

S3、收到该投票请求的其他节点若在新的任期未投票，且候选节点最新的操作码序列号不低于自己的最新操作码序列号，将响应该候选者表示投票；

S4、候选者节点接收到响应后，记录该响应所属的节点，以及收到响应时间，当候选者收到半数以上得票,即成为主节点，并计算得出初始加权网络时延；

S5、主节点定期发起广播，通知集群所有其他节点，声明自己主节点身份以及主节点初始加权网络时延；

S6、客户端的所有写操作发送到从节点时，都会重定向到主节点，由主节点统一调度写入操作。主节点将准备发送的操作码附上一个序列号，向其他节点广播预写入请求，记录发起请求时间；

S7、从节点接收到预写入请求，并将该操作码置为预写入状态，响应主节点，此时也可判断当前主节点网络时延是否过高，进而决定是否发起弹劾式选举；

S8、主节点接收到响应后，记录该响应所属的节点，以及收到响应时间，当主节点接收到半数以上的响应时，计算得出新的加权网络时延，将对应的操作码提交，然后响应客户端告知该操作码已提交，并向从节点广播提交操作码请求以及主节点最新加权网络时延；

S9、从节点在接收到提交请求后将操作码提交。

作为进一步的改进，所述心跳计时器为具有倒计时功能的软件程序，当倒计时结束则视为超时，从节点每次接收来自其他候选节点或主节点信息时，其倒计时重置为初始值。

作为进一步的改进，所述任期为从某一轮选举的开始后至下一轮选举开始前的时间段，所述任期号为一个严格递增的整数，与每一轮任期唯一对应。

作为进一步的改进，所述序列号为一个严格递增的整数，与每一个操作码唯一对应。

作为进一步的改进，所述步骤S4中，计算加权网络时延的方法为：将总节点数以n表示，将加权网络时延以E(t)表示，将发起请求时间以t0表示，将响应所属节点以i表示，将收到i节点响应时间以ti表示，则E(t)＝Σ((ti-t0)/2)/k，i∈[1,k]；k＝n/2+1(n为偶数)或(n+1)/2(n为奇数)。主节点初始加权网络时延为E(t)0，在第m轮通信中，主节点最新加权网络时延为E(t)m。

作为进一步的改进，所述步骤S7中，从节点发起弹劾式选举，包括如下步骤：

S71、当前主节点网络时延占比从节点的心跳计时较大，后续通信轮次存在较高超时风险，故提前发起新一轮弹劾式选举，递增当前任期号，先为自己投一票，并通过网络设备向其他节点广播投票请求，同时记录发起请求的时间；

S72、收到该投票请求的其他节点若在新的任期未投票，且发起弹劾节点最新的操作码序列号不低于自己的最新操作码序列号，将响应该发起弹劾节点表示投票；

S73、发起弹劾节点接收到响应后，记录该响应所属的节点，以及收到响应时间，当候选者收到半数以上得票,即可计算得出初始加权网络时延；

S74、发起弹劾节点通过比较自己的初始加权网络时延与当前主节点最新加权网络时延大小，若小于则弹劾成功，切换到主节点状态，并广播告知其他节点，若大于则不产生其余操作，仍遵循当前主节点任期。

本发明将共识算法中选举过程的直接投票改为了基于网络时延的加权投票，在任期轮换阶段，除了支持传统的继任模式主节点轮换，还引入了基于网络时延的弹劾式主节点轮换。在主节点的选举中充分考虑了网络时延这一因素，能极大提高每一届任期中主节点与其他从节点间的通信效率，减少集群中每一轮次通信所消耗的总时延，提高了集群通信的有效性。通过对主节点的网络时延参数动态更新，以方便从节点随时监控主节点网络状态，在主节点网络状态趋于拥堵时，能够在短时间及时通过弹劾式选举选出网络状况优良的新一任主节点，而不必像旧有共识算法必须等到现任主节点通信超时才进行下一轮选举，保障了集群通信的稳定性。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。图1为本发明的节点状态转换图；图2为本发明的主节点选举流程图；图3为本发明的分布式数据读写流程图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

结合图1所示，本发明涉及的集群中各副本状态机分别以从节点、候选节点、主节点的形式出现，并且在满足不同条件时可互相转换，具体步骤如下：

S1、起始状态，节点刚启动的时候自动进入的是从节点状态。

S2、从节点在启动之后，将开启一个选举超时的定时器，当这个定时器到期时，将切换到候选者节点状态发起选举。

S3、进入候选者节点状态之后就开始进行选举，但是如果在下一次选举超时到来之前，都还没有选出一个新的主节点，那么还会保持在候选者节点状态重新开始一次新的选举。

S4、当候选者状态的节点，如果通过继任选举收到了超过半数的节点选票，或是通过弹劾选举收到了超过半数的节点选票且加权网络时延更小，那么将切换状态成为新的主节点。

S5、候选者状态的节点，如果收到了来自主节点的消息，或者更高任期号的消息，都表示已经有主节点了，将切换回到从节点状态。

S6、主节点状态下如果收到来自更高任期号的消息，将切换到从节点状态。这种情况大多数发生在有网络分区的状态下。

结合图2所示，本发明提供了一种基于网络时延的加权投票共识方法，包括主节点、候选节点、从节点，具体步骤如下：

S1、各节点初始均为从节点状态，每个节点均维护一个随机时间数额的心跳定时器，当从节点定时器超时，则切换为候选节点状态；

S2、候选节点递增当前任期号，发起继任式选举，先为自己投一票，并通过网络设备向其他节点广播投票请求，同时记录发起请求的时间；

S3、收到该投票请求的其他节点若在新的任期未投票，且候选节点最新的操作码序列号不低于自己的最新操作码序列号，将响应该候选者表示投票；

S4、候选者节点接收到响应后，记录该响应所属的节点，以及收到响应时间，当候选者收到半数以上得票,即成为主节点，并计算得出初始加权网络时延；

S5、主节点定期发起广播，通知集群所有其他节点，声明自己主节点身份以及主节点初始加权网络时延；

S6、客户端的所有写操作发送到从节点时，都会重定向到主节点，由主节点统一调度写入操作。主节点将准备发送的操作码附上一个序列号，向其他节点广播预写入请求，记录发起请求时间；

S7、从节点接收到预写入请求，并将该操作码置为预写入状态，响应主节点，此时也可判断当前主节点网络时延是否过高，进而决定是否发起弹劾式选举；

S8、主节点接收到响应后，记录该响应所属的节点，以及收到响应时间，当主节点接收到半数以上的响应时，计算得出新的加权网络时延，将对应的操作码提交，然后响应客户端告知该操作码已提交，并向从节点广播提交操作码请求以及主节点最新加权网络时延；

S9、从节点在接收到提交请求后将操作码提交。

作为进一步的改进，所述心跳计时器为具有倒计时功能的软件程序，当倒计时结束则视为超时，从节点每次接收来自其他候选节点或主节点信息时，其倒计时重置为初始值。

作为进一步的改进，所述任期为从某一轮选举的开始后至下一轮选举开始前的时间段，所述任期号为一个严格递增的整数，与每一轮任期唯一对应。

作为进一步的改进，所述序列号为一个严格递增的整数，与每一个操作码唯一对应。

作为进一步的改进，所述步骤S4中，计算加权网络时延的方法为：将总节点数以n表示，将加权网络时延以E(t)表示，将发起请求时间以t0表示，将响应所属节点以i表示，将收到i节点响应时间以ti表示，则E(t)＝Σ((ti-t0)/2)/k，i∈(1,k)；k＝n/2+1(n为偶数)或(n+1)/2(n为奇数)。主节点初始加权网络时延为E(t)0，在第m轮通信中，主节点最新加权网络时延为E(t)m。

作为进一步的改进，所述步骤S7中，从节点发起弹劾式选举，包括如下步骤：

S71、当前主节点网络时延占比从节点的心跳计时较大，后续通信轮次存在较高超时风险，故提前发起新一轮弹劾式选举，递增当前任期号，先为自己投一票，并通过网络设备向其他节点广播投票请求，同时记录发起请求的时间；

S72、收到该投票请求的其他节点若在新的任期未投票，且发起弹劾节点最新的操作码序列号不低于自己的最新操作码序列号，将响应该发起弹劾节点表示投票；

S73、发起弹劾节点接收到响应后，记录该响应所属的节点，以及收到响应时间，当候选者收到半数以上得票,即可计算得出初始加权网络时延；

S74、发起弹劾节点通过比较自己的初始加权网络时延与当前主节点最新加权网络时延大小，若小于则弹劾成功，切换到主节点状态，并广播告知其他节点，若大于则不产生其余操作，仍遵循当前主节点任期。

结合图3所示，本发明提供的基于网络时延的加权投票共识方法，与客户端的读写交互可保证数据最终一致性，具体步骤如下：

S1、客户端访问集群中就近的节点，发起写操作请求；

S2、当从节点接收到来自客户端的写请求时，将重定向到主节点；

S3、主节点发起准备写入请求，广播操作码至集群其他节点；

S4、从节点接收到来自主节点的准备写入请求时，将操作码置入准备写入状态并响应主节点；

S5、当主节点接收到半数以上完成准备写入的响应时，即可将操作码执行，并响应客户端告知该操作码已提交；

S6、主节点向集群其他节点发起执行操作码请求；

S7、从节点接收到来自主节点的执行操作码请求时，将操作码执行。

Claims (7)

1.一种基于网络时延的加权投票共识方法，其特征在于，包括主节点、候选节点、从节点和客户端，具体步骤如下：

S1、各节点初始均为从节点状态，每个节点均维护一个随机时间数额的心跳定时器，当从节点定时器超时，则切换为候选节点状态；

S2、候选节点递增当前任期号，发起继任式选举，先为自己投一票，并通过网络设备向其他节点广播投票请求，同时记录发起请求的时间；

S3、收到该投票请求的其他节点若在新的任期未投票，且候选节点最新的操作码序列号不低于自己的最新操作码序列号，将响应该候选者表示投票；

S4、候选者节点接收到响应后，记录该响应所属的节点，以及收到响应时间，当候选者收到半数以上得票，即成为主节点，并计算得出初始加权网络时延；

S5、主节点定期发起广播，通知集群所有其他节点，声明自己主节点身份以及主节点初始加权网络时延；

S6、客户端的所有写操作发送到从节点时，都会重定向到主节点，由主节点统一调度写入操作。主节点将准备发送的操作码附上一个序列号，向其他节点广播预写入请求，记录发起请求时间；

S7、从节点接收到预写入请求，并将该操作码置为预写入状态，响应主节点，此时也可判断当前主节点网络时延是否过高，进而决定是否发起弹劾式选举；

S8、主节点接收到响应后，记录该响应所属的节点，以及收到响应时间，当主节点接收到半数以上的响应时，计算得出新的加权网络时延，将对应的操作码提交，然后响应客户端告知该操作码已提交，并向从节点广播提交操作码请求以及主节点最新加权网络时延；

S9、从节点在接收到提交请求后将操作码提交。

2.如权利要求1所述的基于网络时延的加权投票共识方法，其特征在于，所述心跳计时器为具有倒计时功能的软件程序，当倒计时结束则视为超时，从节点每次接收来自其他候选节点或主节点信息时，其倒计时重置为初始值。

3.如权利要求1所述的基于网络时延的加权投票共识方法，其特征在于，所述任期为从某一轮选举的开始后至下一轮选举开始前的时间段，所述任期号为一个严格递增的整数，与每一轮任期唯一对应。

4.如权利要求1所述的基于网络时延的加权投票共识方法，其特征在于，所述继任式选举为从节点心跳计时器超时且仍未收到来自主节点信息时发起。

5.如权利要求1所述的基于网络时延的加权投票共识方法，其特征在于，所述序列号为一个严格递增的整数，与每一个操作码唯一对应。

6.如权利要求1所述的基于网络时延的加权投票共识方法，其特征在于，所述步骤S4中，计算加权网络时延的方法为：将总节点数以n表示，将加权网络时延以E(t)表示，将发起请求时间以t0表示，将响应所属节点以i表示，将收到i节点响应时间以ti表示，则E(t)＝Σ((ti-t0)/2)/k，i∈[1,k]；k＝n/2+1(n为偶数)或(n+1)/2(n为奇数)，主节点初始加权网络时延为E(t)0，在第m轮通信中，主节点最新加权网络时延为E(t)m。

7.如权利要求1所述的基于网络时延的加权投票共识方法，其特征在于，所述步骤S7中，从节点发起弹劾式选举，包括如下步骤：

S71、当前主节点网络时延占比从节点的心跳计时较大，后续通信轮次存在较高超时风险，故提前发起新一轮弹劾式选举，递增当前任期号，先为自己投一票，并通过网络设备向其他节点广播投票请求，同时记录发起请求的时间；

S72、收到该投票请求的其他节点若在新的任期未投票，且发起弹劾节点最新的操作码序列号不低于自己的最新操作码序列号，将响应该发起弹劾节点表示投票；

S73、发起弹劾节点接收到响应后，记录该响应所属的节点，以及收到响应时间，当候选者收到半数以上得票，即可计算得出初始加权网络时延；

S74、发起弹劾节点通过比较自己的初始加权网络时延与当前主节点最新加权网络时延大小，若小于则弹劾成功，切换到主节点状态，并广播告知其他节点，若大于则不产生其余操作，仍遵循当前主节点任期。

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