前言
大家好，我是老马。
分布式系统中，一致性算法是最重要的基石，也是最难学习的部分。
本系列根据 jraft 作为入口，学习一下 raft 的原理和实现。
raft 系列
raft 共识算法
什么是Raft？
Raft 是一种旨在易于理解的共识算法。
它在容错性和性能方面与 Paxos 等效，但其设计将问题分解为相对独立的子问题，并清晰解决了实际系统所需的所有关键部分。
我们希望 Raft 能让更广泛的开发者理解共识算法，并基于此开发出比现有方案更高质量的共识系统。
等等——什么是共识（Consensus）？
共识是容错性分布式系统中的基础性问题，涉及多个服务器就某个值达成一致。
一旦达成决定，该决定即为最终决定。典型的共识算法要求多数服务器（例如，5台服务器组成的集群中至少3台）处于可用状态才能推进决策。
如果超过半数服务器故障（例如5台中有3台故障），系统将无法推进决策（但永远不会返回错误结果）。
共识的应用场景：复制状态机
共识通常出现在复制状态机（Replicated State Machines）的上下文中，这是构建容错系统的通用方法。每台服务器包含一个状态机和一个日志。
状态机是需要实现容错的组件（例如哈希表），即使集群中少数服务器故障，客户端仍会感觉自己在与一个可靠的状态机交互。
每个状态机从日志中读取输入命令。以哈希表为例，日志可能包含类似“将x设为3”的命令。共识算法的作用是确保所有服务器日志中的命令达成一致。
算法必须保证：如果某台状态机将“将x设为3”作为第n条命令执行，其他状态机也绝不会执行不同的第n条命令。
因此，所有状态机会处理相同的命令序列，产生相同的结果，并最终达到相同的状态。
Raft 可视化演示
这是一个在浏览器中运行的 Raft 集群演示。您可以通过交互观察 Raft 的实际运行逻辑。
左侧展示5台服务器，右侧显示它们的日志。我们计划制作解说视频以详细解释其原理。
当前可视化工具（RaftScope）仍处于早期阶段，欢迎提交改进建议（pull requests）。
（注：原文中提到的 RaftScope 是一个开源工具，可通过其项目页面访问完整功能。）
以下是关于 Raft 算法及其相关可视化工具与学术文献的综合梳理，结合您的描述与提供的搜索结果整理为以下内容：
特点：这是一个专为 Raft 设计的引导式可视化工具，以交互性较低但更循序渐进的方式展示 Raft 的共识流程。它通过动态演示日志复制、领导者选举等核心机制，帮助用户直观理解数据在分布式系统中的流动逻辑。
目标：旨在降低分布式系统学习门槛，尤其适合初学者通过可视化观察 Raft 的“幕后工作”，例如网络分区时的选举重试、日志同步冲突解决等场景。
开源支持：相关代码和文档托管于 GitHub，开发者可参与改进或集成到教学工具中。
二、Raft 核心论文与衍生研究
1. 核心论文
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《In Search of an Understandable Consensus Algorithm》
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作者：Diego Ongaro 与 John Ousterhout，发表于 2013 年。
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贡献：首次提出 Raft 算法，通过将共识问题分解为领导者选举、日志复制和安全性三个子问题，显著降低了理解和实现复杂度。论文还对比了 Raft 与 Paxos 的等效性，证明其在容错和性能上不逊于后者。
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奖项：精简版论文获 2014 年 USENIX 年度技术会议“最佳论文奖”[citation:用户提供]。
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Diego Ongaro 的博士论文
- 扩展内容：详细补充了 Raft 的集群成员变更算法，并引入基于 TLA+ 的形式化规范，为算法验证提供理论框架[citation:用户提供]。
2. 衍生研究
《Verdi: A Framework for Implementing and Verifying Distributed Systems》
作者：James R. Wilcox 等，发表于 PLDI 2015。
重点：提出 Verdi 框架，支持从形式化模型生成分布式系统代码，并以 Raft 为例验证其可行性[citation:用户提供]。
《ARC: Analysis of Raft Consensus》
作者：Heidi Howard，剑桥大学技术报告。
分析：通过数学建模验证 Raft 的安全性，探讨其在大规模集群中的扩展性问题[citation:用户提供]。
其他论文：如《Planning for Change in a Formal Verification of the Raft Consensus Protocol》聚焦形式化验证方法，确保 Raft 协议在动态环境中的正确性[citation:用户提供]。
三、Raft 的核心机制（基于搜索结果的补充）
- 领导者选举
- 角色与任期：节点分为 Leader、Follower、Candidate 三种状态，通过递增的 Term 编号保证每个任期仅有一个 Leader。
- 选举规则：Follower 在心跳超时后转为 Candidate 并发起投票，需获得半数以上支持才能当选。若多个 Candidate 竞争，随机超时机制减少冲突。
- 日志复制与安全性
- 日志同步：Leader 将客户端请求封装为日志条目，复制到多数节点后提交，确保所有节点按相同顺序执行命令。
- 安全性约束：通过日志完整性检查（如 Term 和 Index 比对），防止旧 Leader 覆盖已提交数据，避免脑裂问题。
- 与 Paxos 的对比
- 简化设计：Raft 通过明确的状态划分和强一致性约束，避免了 Paxos 的模糊性与实现复杂度，更适合工程实践。
四、实践与工具
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开源实现：如 etcd（Kubernetes 的核心组件）和多种语言的 Raft 库，进一步验证其易用性。
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教学资源：结合 The Secret Lives of Data 等工具，Raft 已成为分布式系统课程的标配内容，推动共识算法的普及。
以上内容整合了用户提供的论文信息与搜索结果的补充细节，如需进一步探讨某篇论文或机制细节，可参考对应文献或访问相关 GitHub 仓库（如 Raft 官方页面）。
教授 Raft 的课程
以下列出了包含 Raft 相关讲座或编程作业的课程清单。这些信息对其他教师和寻找学习材料的在线学习者可能有所帮助。若您知晓其他相关课程，请提交 pull request 或 issue 以更新此列表。（按时间倒序排列）
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中国香港大学
COMP3358: 分布式与并行计算
教师：Heming Cui
包含 Raft 相关讲座。（2024 年春季） -
弗吉尼亚大学
CS4740: 云计算
教师：Chang Lou
包含 Raft 讲座及 Go 语言编程作业。（2024 年春季） -
加州大学圣地亚哥分校
CSE224: 研究生网络系统
教师：George Porter
包含 Raft 讲座及基于 Go 的容错 Dropbox 克隆开发作业。（2023/2022 年冬季、2020/2019/2018 年秋季） -
慕尼黑工业大学
IN2259: 分布式系统
教师：Pramod Bhatotia 和 Martin Kleppmann
包含 Raft 相关讲座。（2022/2023 年冬季） -
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校
CS425: 分布式系统
教师：Indranil Gupta、Nikita Borisov 和 Radhika Mittal
包含基于 Go 的 Raft 编程作业。（2021 年春季） -
中国香港中文大学
CSCI4160: 分布式与并行计算（私有课程）
教师：Eric Lo
包含 Paxos 与 Raft 讲座，以及 Java/Go 实现的 Raft 编程作业。（2019 年秋季、2021 年春季）[[11]] -
印度理工学院德里分校
COL 819: 分布式系统
教师：Smruti R. Sarangi
包含 Raft 相关讲座。
实现排名
这里是完整无简化的Raft实现算法的markdown表格，包含所有的项目和信息：
| Rank | Repository URL | Stars | Last Updated | Archived |
|---|---|---|---|---|
| 293 | pingcap/tikv | 15659 | 2025-03-26T05:03:20Z | No |
| 292 | rethinkdb/rethinkdb | 26854 | 2025-03-26T03:58:21Z | No |
| 289 | scylladb/scylla | 14265 | 2025-03-26T03:17:44Z | No |
| 286 | vesoft-inc/nebula | 11182 | 2025-03-26T02:21:58Z | No |
| 285 | real-logic/aeron | 7642 | 2025-03-26T03:10:31Z | No |
| 284 | alipay/sofa-jraft | 3666 | 2025-03-26T04:14:29Z | No |
| 284 | hashicorp/raft | 8481 | 2025-03-26T01:43:07Z | No |
| 279 | hazelcast/hazelcast | 6274 | 2025-03-25T16:45:26Z | No |
| 276 | tarantool/tarantool | 3472 | 2025-03-25T19:18:47Z | No |
| 275 | logcabin/logcabin | 1908 | 2025-03-25T20:24:18Z | No |
| 270 | opendaylight/controller | 465 | 2025-03-26T06:22:46Z | No |
| 268 | apache/ratis | 1347 | 2025-03-25T15:29:59Z | No |
| 268 | lni/dragonboat | 5140 | 2025-03-24T06:00:16Z | No |
| 266 | brpc/braft | 4078 | 2025-03-24T02:45:50Z | No |
| 266 | dotnet/dotNext | 1727 | 2025-03-24T21:13:25Z | No |
| 264 | apache/incubator-kudu | 1863 | 2025-03-24T15:50:23Z | No |
| 264 | datafuselabs/openraft | 1513 | 2025-03-24T20:15:23Z | No |
| 263 | ebay/nuraft | 1072 | 2025-03-25T14:04:45Z | No |
| 260 | rabbitmq/ra | 855 | 2025-03-25T09:54:27Z | No |
| 257 | etcd-io/raft | 760 | 2025-03-25T07:52:19Z | No |
| 254 | wenweihu86/raft-java | 1211 | 2025-03-23T06:53:41Z | No |
| 248 | goraft/raft | 2430 | 2025-03-17T14:09:19Z | Yes |
| 246 | eliben/raft | 1129 | 2025-03-20T14:13:19Z | No |
| 246 | willemt/raft | 1144 | 2025-03-20T13:43:36Z | No |
| 244 | bakwc/PySyncObj | 718 | 2025-03-23T05:09:10Z | No |
| 244 | belaban/jgroups-raft | 270 | 2025-03-24T19:55:35Z | No |
| 240 | async-raft/async-raft | 1052 | 2025-03-18T18:31:33Z | No |
| 239 | streed/simpleRaft | 300 | 2025-03-23T05:09:15Z | No |
| 233 | RedisLabs/redisraft | 826 | 2025-03-14T15:11:51Z | No |
| 233 | xnnyygn/xraft | 234 | 2025-03-23T14:30:11Z | No |
| 232 | datatechnology/jraft | 180 | 2025-03-24T11:42:29Z | No |
| 231 | akiradeveloper/lol | 188 | 2025-03-23T22:47:28Z | No |
| 227 | permazen/permazen | 411 | 2025-03-11T22:01:45Z | No |
| 223 | MicroRaft/MicroRaft | 232 | 2025-03-20T07:05:04Z | No |
| 223 | kanaka/raft.js | 322 | 2025-03-10T01:08:03Z | No |
| 216 | Hoverbear/raft | 267 | 2025-03-09T11:52:09Z | No |
| 215 | hhblaze/Raft.Net | 173 | 2025-03-18T14:13:02Z | No |
| 215 | zhebrak/raftos | 350 | 2025-03-02T05:43:40Z | No |
| 213 | eraft-io/eraft | 281 | 2025-03-02T11:23:21Z | No |
| 204 | datatechnology/cornerstone | 262 | 2025-02-23T12:54:08Z | No |
| 200 | pgte/skiff-algorithm | 137 | 2025-03-08T15:09:25Z | No |
| 199 | unshiftio/liferaft | 238 | 2025-02-18T07:31:55Z | No |
| 198 | namasikanam/raft-spin | 15 | 2025-03-26T05:34:46Z | No |
| 197 | xingyif/raft | 39 | 2025-03-21T13:06:13Z | No |
| 196 | cowsql/raft | 59 | 2025-03-17T03:52:17Z | No |
| 193 | resetius/miniraft-cpp | 49 | 2025-03-19T23:56:06Z | No |
| 191 | NicolasT/kontiki | 121 | 2025-02-25T22:47:29Z | No |
| 189 | ben-ng/gaggle | 64 | 2025-03-08T15:06:26Z | No |
| 188 | guille/RaftCore | 71 | 2025-03-06T06:46:48Z | No |
| 187 | heidi-ann/ocaml-raft | 111 | 2025-02-23T04:51:56Z | Yes |
| 184 | allengeorge/libraft | 102 | 2025-02-19T23:59:22Z | Yes |
| 182 | ktoso/akka-raft | 280 | 2024-11-12T04:28:18Z | Yes |
| 182 | uwplse/verdi-raft | 187 | 2024-12-19T06:18:17Z | No |
| 181 | Waqee/Raft-php | 54 | 2025-03-02T13:02:22Z | No |
| 178 | buckie/juno | 453 | 2024-09-05T03:40:35Z | No |
| 171 | LVala/zaft | 18 | 2025-03-20T20:18:09Z | No |
| 170 | yahoo/gondola | 62 | 2025-01-25T04:11:25Z | Yes |
| 169 | andrewjstone/rafter | 269 | 2024-08-30T15:21:35Z | No |
| 169 | mreiferson/pontoon | 22 | 2025-03-15T18:28:39Z | No |
| 168 | royaltm/node-zmq-raft | 30 | 2025-03-08T14:40:24Z | No |
| 166 | simonacca/zatt | 156 | 2024-11-10T02:32:44Z | No |
| 165 | mgodave/barge | 91 | 2024-11-28T16:27:55Z | Yes |
| 162 | alirezameskin/raft4s | 22 | 2025-03-08T21:57:24Z | No |
| 162 | dreyk/zraft_lib | 163 | 2024-09-12T12:35:59Z | No |
| 159 | pablosmedina/ckite | 213 | 2024-08-24T13:05:33Z | No |
| 157 | komamitsu/oraft | 30 | 2025-02-22T14:29:29Z | No |
| 157 | lewiszlw/raft | 33 | 2025-02-11T06:56:56Z | Yes |
| 157 | nuoyimanaituling/xzwraft | 37 | 2025-01-16T01:31:11Z | No |
| 155 | LiangrunDa/raft-lite | 33 | 2025-02-10T09:03:15Z | No |
| 155 | lisael/aioraft | 30 | 2025-02-16T12:50:47Z | No |
| 153 | 42dot/foros | 37 | 2025-01-08T18:09:40Z | No |
| 153 | AChepurnoi/raft-kotlin | 36 | 2025-01-08T22:35:09Z | No |
| 151 | EdoardoV97/Raft-Omnet | 13 | 2025-03-11T15:34:56Z | No |
| 150 | Oaklight/Vesper | 53 | 2024-11-18T19:19:27Z | No |
| 150 | Qihoo360/floyd | 152 | 2024-08-19T05:11:14Z | No |
| 149 | peterbourgon/raft | 172 | 2024-05-10T05:43:03Z | Yes |
| 148 | iifawzi/tf-raft | 24 | 2025-02-01T21:01:51Z | No |
| 146 | scalecube/raft-leader-election | 26 | 2025-01-10T05:46:10Z | No |
参考资料
https://raft.github.io/
