Nacos 是如何同时实现AP与CP的

nacos

两种一致性策略如何在nacos中共存

或许会有疑问，为什么早先的cp模式的Zookeeper或者AP模式的Eureka，都只有支持CAP理论下大家常用的AP实现或者CP实现，而nacos却能够两个都实现呢？

其实CAP理论，仅仅是针对分布式下数据的一致性而言，如果你对于数据的一致性要求不高，可忍受最终一致性，那么AP模式的Eureka就可以满足你了，如果说你对数据的一致性要求很高，那么就使用CP模式的Zookeeper，而追其根本，并不是说Eureka是AP的，或者说Zookeeper是CP的，而是他们存储的数据的一致性，满足AP或者CP，因此也就不难实现在一个组件中实现AP模式与CP模式共存

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@Service("consistencyDelegate")
public class DelegateConsistencyServiceImpl implements ConsistencyService {

    @Autowired
    private PersistentConsistencyService persistentConsistencyService;

    @Autowired
    private EphemeralConsistencyService ephemeralConsistencyService;
}

DelegateConsistencyServiceImpl是一个一致性策略选择的类，根据不同的策略触发条件(在nacos中，CP与AP切换的条件是注册的服务实例是否是临时实例)，选择PersistentConsistencyService策略或者EphemeralConsistencyService策略，而EphemeralConsistencyService对应的是DistroConsistencyServiceImpl，采用的协议是阿里自研的Distro，我个人觉得就像gossip协议；PersistentConsistencyService对应的是RaftConsistencyServiceImpl，其底层采用的是Raft协议；这两种一致性策略下的数据存储互不影响，所以nacos实现了AP模式与CP模式在一个组件中同时存在

AP实现

Nacos中的DistroConsistencyServiceImpl工作浅析

CP实现

重要的协议——RAFT

动画演示地址：raft-protocol)

nacos是如何实现CP(raft)的

RaftController

RaftController控制器是raft集群内部节点间通信使用的，具体的信息如下

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POST HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/vote : 进行投票请求

POST HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/beat : Leader向Follower发送心跳信息

GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/peer : 获取该节点的RaftPeer信息

PUT HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum/reload : 重新加载某日志信息

POST HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum : Leader接收传来的数据并存入

DELETE HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum : Leader接收传来的数据删除操作

GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum : 获取该节点存储的数据信息

GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/state : 获取该节点的状态信息{UP or DOWN}

POST HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum/commit : Follower节点接收Leader传来得到数据存入操作

DELETE HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/datum : Follower节点接收Leader传来的数据删除操作

GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/leader : 获取当前集群的Leader节点信息

GET HTTP://{ip:port}/v1/ns/raft/listeners : 获取当前Raft集群的所有事件监听者

RaftPeerSet

这个对象存储的是所有raft协议下的节点信息，存储的元素如下

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// 集群节点地址管理
private ServerListManager serverListManager;

// 周期数
private AtomicLong localTerm = new AtomicLong(0L);

// 当前周期内的Leader
private RaftPeer leader = null;

// 所有的节点信息
private Map<String, RaftPeer> peers = new HashMap<String, RaftPeer>();

// 暂时不清楚用途
private Set<String> sites = new HashSet<>();

// 本节点是否已准备完毕
private boolean ready = false;

同时还具备了raft协议下必要的方法

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// 当前IP对应的节点是否是Leader
public boolean isLeader(String ip) {
    if (STANDALONE_MODE) {
        return true;
    }
    if (leader == null) {
        Loggers.RAFT.warn("[IS LEADER] no leader is available now!");
        return false;
    }
    return StringUtils.equals(leader.ip, ip);
}

// 决定Leader节点，根据投票结果以及是否满足majorityCount机制
public RaftPeer decideLeader(RaftPeer candidate) {
    peers.put(candidate.ip, candidate);
    SortedBag ips = new TreeBag();
    int maxApproveCount = 0;
    String maxApprovePeer = null;
    for (RaftPeer peer : peers.values()) {
        if (StringUtils.isEmpty(peer.voteFor)) {
            continue;
        }
      	// 选票计数
        ips.add(peer.voteFor);
      	// 如果某节点的得票数大于当前的最大得票数，则更新候选Leader信息
        if (ips.getCount(peer.voteFor) > maxApproveCount) {
            maxApproveCount = ips.getCount(peer.voteFor);
            maxApprovePeer = peer.voteFor;
        }
    }
  	// 是否满足majorityCount数量的限制
    if (maxApproveCount >= majorityCount()) {
      	// 若满足则设置Leader节点信息
        RaftPeer peer = peers.get(maxApprovePeer);
        peer.state = RaftPeer.State.LEADER;

        if (!Objects.equals(leader, peer)) {
            leader = peer;
            Loggers.RAFT.info("{} has become the LEADER", leader.ip);
        }
    }
    return leader;
}

public RaftPeer makeLeader(RaftPeer candidate) {
  	// 如果当前Leader与Candidate节点不一样，则进行Leader信息更改
    if (!Objects.equals(leader, candidate)) {
        leader = candidate;
        Loggers.RAFT.info("{} has become the LEADER, local: {}, leader: {}",
        leader.ip, JSON.toJSONString(local()), JSON.toJSONString(leader));
    }

    for (final RaftPeer peer : peers.values()) {
        Map<String, String> params = new HashMap<String, String>(1);
      	// 如果当前节点与远程Leader节点不等且是Follower节点
        if (!Objects.equals(peer, candidate) && peer.state == RaftPeer.State.LEADER) {
            try {
              	// 获取每个节点的RaftPeer节点信息对象数据
                String url = RaftCore.buildURL(peer.ip, RaftCore.API_GET_PEER);
                HttpClient.asyncHttpGet(url, null, params, new AsyncCompletionHandler<Integer>() {
                    @Override
                    public Integer onCompleted(Response response) throws Exception {
                        if (response.getStatusCode() != HttpURLConnection.HTTP_OK) {
                            Loggers.RAFT.error("[NACOS-RAFT] get peer failed: {}, peer: {}", response.getResponseBody(), peer.ip);
                            peer.state = RaftPeer.State.FOLLOWER;
                            return 1;
                        }
                        update(JSON.parseObject(response.getResponseBody(), RaftPeer.class));
                        return 0;
                    }
                });
            } catch (Exception e) {
                peer.state = RaftPeer.State.FOLLOWER;
                Loggers.RAFT.error("[NACOS-RAFT] error while getting peer from peer: {}", peer.ip);
            }
        }
    }
    return update(candidate);
}

RaftCore

该对象是nacos中raft协议的主要实现，在启动之初，会进行一系列初始化的操作

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@PostConstruct
public void init() throws Exception {
	Loggers.RAFT.info("initializing Raft sub-system");
	executor.submit(notifier);
	long start = System.currentTimeMillis();
  // 进行日志文件的加载到内存数据对象Datums的操作
	datums = raftStore.loadDatums(notifier);
  // 设置当前的周期数
	setTerm(NumberUtils.toLong(raftStore.loadMeta().getProperty("term"), 0L));
	Loggers.RAFT.info("cache loaded, datum count: {}, current term: {}", datums.size(), peers.getTerm());
	while (true) {
    // 等待上一步的数据加载任务全部完成
		if (notifier.tasks.size() <= 0) {
			break;
		}
		Thread.sleep(1000L);
	}
  // 初始化标识更改
	initialized = true;
	Loggers.RAFT.info("finish to load data from disk, cost: {} ms.", (System.currentTimeMillis() - start));
  // 开启定时的Leader选举任务
	GlobalExecutor.registerMasterElection(new MasterElection());
  // 开启定时的Leader心跳服务
	GlobalExecutor.registerHeartbeat(new HeartBeat());

	Loggers.RAFT.info("timer started: leader timeout ms: {}, heart-beat timeout ms: {}",
	GlobalExecutor.LEADER_TIMEOUT_MS, GlobalExecutor.HEARTBEAT_INTERVAL_MS);
}

初始化的一系列操作完成后，此时集群还无法对外提供服务，因为此时Leader还未选举出来，需要在MasterElection选举Leader成功后才可以对外提供服务

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// Leader 选举任务
public class MasterElection implements Runnable {
	@Override
	public void run() {
		try {
      // 当前节点是否已准备完毕
			if (!peers.isReady()) {
				return;
			}
      // 获取自身节点信息
			RaftPeer local = peers.local();
      // 本地存储的Leader任期时间
			local.leaderDueMs -= GlobalExecutor.TICK_PERIOD_MS;
      // 如果Leader任期时间还在允许范围内，则不进行Leader选举
			if (local.leaderDueMs > 0) {
				return;
			}
			// reset timeout
			local.resetLeaderDue();
			local.resetHeartbeatDue();
      // 向其他节点发起投票请求
			sendVote();
		} catch (Exception e) {
			Loggers.RAFT.warn("[RAFT] error while master election {}", e);
		}
	}
	
  public void sendVote() {
		RaftPeer local = peers.get(NetUtils.localServer());
		Loggers.RAFT.info("leader timeout, start voting,leader: {}, term: {}",
		JSON.toJSONString(getLeader()), local.term);

		// Raft node cluster rest
		peers.reset();
		local.term.incrementAndGet();
		// 设置给自己投票
		local.voteFor = local.ip;
		// update node status to CANDIDATE
		local.state = RaftPeer.State.CANDIDATE;
		Map<String, String> params = new HashMap<String, String>(1);
		params.put("vote", JSON.toJSONString(local));
    // 遍历所有的节点信息(除了自己之外)
		for (final String server : peers.allServersWithoutMySelf()) {
			final String url = buildURL(server, API_VOTE);
			try {
				HttpClient.asyncHttpPost(url, null, params, new AsyncCompletionHandler<Integer>() {
					@Override
					public Integer onCompleted(Response response) throws Exception {
						if (response.getStatusCode() != HttpURLConnection.HTTP_OK) {
							Loggers.RAFT.error("NACOS-RAFT vote failed: {}, url: {}", response.getResponseBody(), url);
							return 1;
						}
            // 获取投票结果，并进行Leader的选举工作
						RaftPeer peer = JSON.parseObject(response.getResponseBody(), RaftPeer.class);
						Loggers.RAFT.info("received approve from peer: {}", JSON.toJSONString(peer));
						peers.decideLeader(peer);
						return 0;
					}
				});
			} catch (Exception e) {
				Loggers.RAFT.warn("error while sending vote to server: {}", server);
			}
		}
	}
}

每个节点启动时，都会认为自己可以作为Leader，因此都会以自去己作为被选举人，向其他节点发起投票请求，而其他节点在接收到投票请求后的工作流程如下

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// 其他节点接收到投票请求后的反应
public RaftPeer receivedVote(RaftPeer remote) {
  // 被选举人是否在raft集群节点列表中
	if (!peers.contains(remote)) {
		throw new IllegalStateException("can not find peer: " + remote.ip);
	}

 	// 获取自身节点信息
	RaftPeer local = peers.get(NetUtils.localServer());
  // 如果被选举节点的周期数小于本节点的周期数，则将自己的投票投给自己并告诉被选举者
	if (remote.term.get() <= local.term.get()) {
		String msg = "received illegitimate vote" + ", voter-term:" + remote.term + ", votee-term:" + local.term;
		Loggers.RAFT.info(msg);
		if (StringUtils.isEmpty(local.voteFor)) {
			local.voteFor = local.ip;
		}
		return local;
	}
  // 满足投票条件后，本节点确认将自己的票投给被选举者
	local.resetLeaderDue();
	local.state = RaftPeer.State.FOLLOWER;
	local.voteFor = remote.ip;
	local.term.set(remote.term.get());
	Loggers.RAFT.info("vote {} as leader, term: {}", remote.ip, remote.term);
	return local;
}

通过以上步骤，最终选举出了Leader节点，接下来，就可以对外提供服务了

因为是CP模式，所以操作都是通过Leader节点进行传达的，Follower节点本身不与Client进行联系，Follower只能接受来自Leader的操作请求，因此就存在请求转发的问题。因此在RaftCore中的singlePublish以及singleDelete中，存在着对Leader节点的判断以及请求转发的逻辑

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public void signalPublish(String key, Record value) throws Exception {
	if (!isLeader()) {
		JSONObject params = new JSONObject();
		params.put("key", key);
		params.put("value", value);
		Map<String, String> parameters = new HashMap<>(1);
		parameters.put("key", key);
		// 请求转发
		raftProxy.proxyPostLarge(getLeader().ip, API_PUB, params.toJSONString(), parameters);
		return;
	}
  ...
}

public void signalDelete(final String key) throws Exception {
	OPERATE_LOCK.lock();
	try {
		if (!isLeader()) {
			Map<String, String> params = new HashMap<>(1);
			params.put("key", URLEncoder.encode(key, "UTF-8"));
			// 删除请求进行转发给 leader 进行处理
			raftProxy.proxy(getLeader().ip, API_DEL, params, HttpMethod.DELETE);
			return;
		}
    ...
  }
}

同时，还有一个重要的机制——心跳机制，raft通过心跳机制来维持Leader以及Follower的关系

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// 心跳任务，如果成为Leader，需要对 follower 发送心跳信息
public class HeartBeat implements Runnable {
	@Override
	public void run() {
		try {
			// 程序是否已准备完毕
			if (!peers.isReady()) {
				return;
			}
			RaftPeer local = peers.local();
			local.heartbeatDueMs -= GlobalExecutor.TICK_PERIOD_MS;
      // 心跳周期判断
			if (local.heartbeatDueMs > 0) {
				return;
			}
      // 重置心跳发送周期
			local.resetHeartbeatDue();
      // 发送心跳信息
			sendBeat();
		} catch (Exception e) {
			Loggers.RAFT.warn("[RAFT] error while sending beat {}", e);
		}
	}
  
  public void sendBeat() throws IOException, InterruptedException {
		RaftPeer local = peers.local();
    // 如果自己不是Leader节点或者处于单机模式下，则直接返回
		if (local.state != RaftPeer.State.LEADER && !STANDALONE_MODE) {
			return;
		}
		Loggers.RAFT.info("[RAFT] send beat with {} keys.", datums.size());
    // 重置Leader任期时间
		local.resetLeaderDue();
		// build data
		JSONObject packet = new JSONObject();
		packet.put("peer", local);
		JSONArray array = new JSONArray();
		if (switchDomain.isSendBeatOnly()) {
			Loggers.RAFT.info("[SEND-BEAT-ONLY] {}", String.valueOf(switchDomain.isSendBeatOnly()));
		}
		if (!switchDomain.isSendBeatOnly()) {
      // 如果开启了在心跳包中携带Leader存储的数据进行发送，则对数据进行打包操作
			for (Datum datum : datums.values()) {
				JSONObject element = new JSONObject();
				if (KeyBuilder.matchServiceMetaKey(datum.key)) {
					element.put("key", KeyBuilder.briefServiceMetaKey(datum.key));
				} else if (KeyBuilder.matchInstanceListKey(datum.key)) {
					element.put("key", KeyBuilder.briefInstanceListkey(datum.key));
				}
				element.put("timestamp", datum.timestamp);
				array.add(element);
			}
		} else {
			Loggers.RAFT.info("[RAFT] send beat only.");
		}
		packet.put("datums", array);
		// broadcast
		Map<String, String> params = new HashMap<String, String>(1);
		params.put("beat", JSON.toJSONString(packet));
    // 将参数信息进行 Gzip算法压缩，降低网络消耗
		String content = JSON.toJSONString(params);
		ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
		GZIPOutputStream gzip = new GZIPOutputStream(out);
		gzip.write(content.getBytes("UTF-8"));
		gzip.close();

		byte[] compressedBytes = out.toByteArray();
		String compressedContent = new String(compressedBytes, "UTF-8");
		Loggers.RAFT.info("raw beat data size: {}, size of compressed data: {}", content.length(), compressedContent.length());
    // 遍历所有的Follower节点进行发送心跳数据包
		for (final String server : peers.allServersWithoutMySelf()) {
			try {
				final String url = buildURL(server, API_BEAT);
				Loggers.RAFT.info("send beat to server " + server);
        // 采用异步HTTP请求进行心跳数据发送
				HttpClient.asyncHttpPostLarge(url, null, compressedBytes, new AsyncCompletionHandler<Integer>() {
					@Override
					public Integer onCompleted(Response response) throws Exception {
						if (response.getStatusCode() != HttpURLConnection.HTTP_OK) {
							Loggers.RAFT.error("NACOS-RAFT beat failed: {}, peer: {}", response.getResponseBody(), server);
            	MetricsMonitor.getLeaderSendBeatFailedException().increment();
						}
            // 成功后接收Follower节点的心跳回复(Follower节点的当前信息)进行节点更新操作
						peers.update(JSON.parseObject(response.getResponseBody(), RaftPeer.class));
						Loggers.RAFT.info("receive beat response from: {}", url);
						return 0;
					}

					@Override
					public void onThrowable(Throwable t) {
						Loggers.RAFT.error("NACOS-RAFT error while sending heart-beat to peer: {} {}", server, t);
						MetricsMonitor.getLeaderSendBeatFailedException().increment();
					}
				});
			} catch (Exception e) {
				Loggers.RAFT.error("error while sending heart-beat to peer: {} {}", server, e);
				MetricsMonitor.getLeaderSendBeatFailedException().increment();
			}
		}
	}
}

至于心跳接收的回复操作基本就是Follower节点将自己当前的信息进行数据打包发送给Leader节点，同时也会重置当前Leader的任期时间信息，并且根据接收到心跳信息，进行拉取Leader节点的最新数据信息

为什么要同时实现CP和AP两套一致性策略模式？

或许有的人会问，为什么Nacos要同时实现CP以及AP两种数据的一致性策略。其实在一个组件中同时实现两种数据一致性策略，我觉得这样在做服务注册中心选型时，就不必操心AP选什么组件，CP选什么组件，直接采用nacos就好了，同时满足你AP以及CP的数据一致性需求；直接在一个组件中，享受Zookeeper以及Eureka组件的服务，避免了需要同时维护两种不同的组件的运维代价，只需要根据自己的实例需求，选择不同的注册模式即可。