Comprendre l’Algorithme Raft : Réplication et Tolérance aux Pannes

Raft est un algorithme de consensus conçu pour les systèmes distribués. Il permet à un groupe de serveurs de fonctionner de manière cohérente, même en cas de pannes de certains membres.

Fonctionnement de Raft

Raft repose sur une machine à états déterministe utilisant un journal répliqué. Chaque nœud peut être dans un des trois états :

• Follower (Suiveur) : État par défaut, passif.
• Candidate (Candidat) : Tente de devenir leader après un timeout.
• Leader : Coordonne les opérations et réplique les journaux.

Élection de Leader

Les followers reçoivent régulièrement des heartbeats du leader. En l’absence de ces messages pendant un certain temps, les followers deviennent candidats et lancent une élection. Le candidat qui obtient la majorité des votes devient leader.

Réplication du Journal

Le leader reçoit les commandes des clients, les ajoute à son journal et les réplique aux followers. Une commande est considérée comme validée lorsqu’elle est répliquée sur la majorité des nœuds, autrement dit, sur un réseau de 3 serveurs, le consensus est atteint si au moins 2 partagent le même état).

Tolérance aux Pannes

Raft garantit la tolérance aux pannes en exigeant un quorum (majorité des nœuds). Par exemple, dans un cluster de 3 nœuds, un quorum de 2 est nécessaire, permettant de survivre à la panne d’un nœud.

Détails du Consensus

Le leader propose des modifications aux autres nœuds (followers) en envoyant des messages d’ajout au journal (Append Entries RPC). Chaque follower doit répondre à ces propositions :

• Si un follower accepte une proposition, il l’ajoute à son journal et envoie une réponse positive au leader.
• Si le follower refuse une proposition, il envoie une réponse négative au leader. Ce dernier doit alors identifier et résoudre l’incohérence avant de proposer à nouveau l’entrée. Le leader envoie des messages supplémentaires pour synchroniser les journaux. Une fois les journaux alignés, le leader soumet de nouveau l’entrée initiale. Si elle est acceptée par le follower, l’entrée est validée.

Cas d’Utilisations Concrets

Kubernetes

Dans Kubernetes, etcd, qui implémente Raft, est utilisé comme magasin de données pour conserver l’état des clusters. Etcd assure la haute disponibilité et la cohérence des données de configuration, des états des pods, et autres informations critiques. Lorsque le leader d’etcd tombe en panne, un nouveau leader est automatiquement élu, permettant au cluster de continuer à fonctionner sans interruption majeure.

Blockchain

Certains projets blockchain utilisent des variantes de l’algorithme Raft pour assurer le consensus entre les nœuds participants. Par exemple, Quorum, une plateforme blockchain basée sur Ethereum, utilise Raft pour la gestion des transactions et des états. Raft permet à Quorum de garantir que tous les nœuds valident et appliquent les mêmes transactions de manière cohérente et fiable.

Conclusion

Raft assure le consensus dans les systèmes distribués en garantissant les opérations de réplication et de tolérance aux pannes. En utilisant Raft, des systèmes tels que etcd garantissent une haute disponibilité et une gestion fiable des données.

Pour aller plus loin => https://raft.github.io/raft.pdf