Ozone原理｜Ratis代码解析之一-gRPC

Ozone采用Ratis保证数据一致性，Ratis采用Raft协议实现，代码可见Github。本文首先介绍Ratis的gRPC模块代码，后续会陆续介绍其他模块。

1. Ratis简介

目前主要有两种分布式协议Paxos、Raft。Raft在保证一致性效果上等价于Paxos，和Paxos同等高效。而 Raft的优势是易理解，易实现。

Ratis采用Raft实现，为了保证Ozone数据一致性，Ozone的每个读写请求，都采用三备份，需要写入一个Leader和两个Follower。一个Leader和两个Follower为一个group，各为一个Ratis Server，只是角色不同，一组Ratis Server分布在三个Datanode里，作为Datanode的子线程。一个leader和两个follower各将一份请求写到log里，请求被一个group的大多数Ratis Server写入log后，即回复给client。

以写数据请求为例，该请求发到Leader后，Leader不仅需要将写数据请求写入log，而且需将被写的数据写入Leader的本地存储。Ratis负责请求写入log，然后Ratis回调Ozone的writeStateMachineData将数据写入Leader本地存储。请求写入Leader的log后，Leader将写请求以及数据发给Follower，数据需要从Leader本地存储读，数据不从请求里获取的原因是需要保证Leader写入了数据。然后Follower开始写log以及数据。可以看出，Leader将数据写入本地存储后，才将请求发给Follower，因为本地存储是磁盘，会造成Leader和Follower串行将数据写入磁盘，速度较慢。优化的方法是，Leader先将数据写入内存Cache，再将数据写入本地存储磁盘。而Leader在将数据写入内存Cache后，就可以将数据读出，并发给Follower，这样Leader和Follower可以并行将数据写入磁盘。

2. Ratis模块简介

Ratis主要模块分为三部分：ratis-client、ratis-grpc、ratis-server。

ratis-client封装给上层使用，提供操作group的接口：groupAdd、groupRemove、getGroupList等，以及发送请求的接口sendRequest等。Ozone使用ratis时，需要首先用groupAdd创建一个Leader和两个Follower的group，然后将请求包装成Ratis的请求RaftClientRequest，通过sendRequest发给Leader。

ratis-server负责数据同步主要逻辑：选举、快照、日志同步等功能，每个leader和follower都是一个RaftServerImpl实例。

ratis-grpc负责ratis-client和ratis-server，以及ratis-server和ratis-server之间的通信。

3. Ratis gRPC简介

Ratis采用gRPC作为网络框架，gRPC相关封装代码在ratis-grpc包下。一个完整的请求分为client和leader、leader和两个follower之间通信。例如Ozone需要ratis将请求写三份时，会用ratis client向ratis leader发送该请求，而ratis leader又会向两个ratis follower发送该请求，当ratis leader和两个ratis follower的大多数写完该请求时，ratis leader会向ratis client回复写成功。client、leader、follower通信时序图如下，后文会做详细介绍。

4. Client和Leader通信

该部分相关代码在ratis-grpc/src/main/java/org/apache/ratis/grpc/client，该目录下有三个文件负责通信：GrpcClientProtocolClient、GrpcClientProtocolService、GrpcClientRpc。

ratis client相关代码在ratis-client目录下，本文不涉及该部分。client调用GrpcClientRpc::sendRequestAsync向leader发送请求。leader会在GrpcClientProtocolService的RequestStreamObserver::onNext里处理该请求。leader处理请求时，不仅会自己将请求写入log，还会通知两个follower写入log，可见下文。leader处理完后会向client回复，client在GrpcClientProtocolClient的AsyncStreamObservers::onNext里判断写请求三备份是否成功。

5. Leader和Follower通信

该部分相关代码在ratis-grpc/src/main/java/org/apache/ratis/grpc/server，该目录下有三个文件负责通信：GrpcClientProtocolService、GrpcLogAppender、GrpcServerProtocolClient。

leader在GrpcClientProtocolService的RequestStreamObserver::onNext里收到请求后，会交给RaftServerImpl::submitClientRequestAsync处理，该函数首先校验当前server是否是leader等，然后leader将请求放入待写队列，并通知leader向follower发请求的线程GrpcLogAppender。GrpcLogAppender负责将请求从leader发送到follower，leader为每个follower维护一个GrpcLogAppender线程。

GrpcLogAppender调用GrpcServerProtocolClient:: appendEntries将Leader已经写成功的请求发给follower，follower在GrpcServerProtocolService的ServerRequestStreamObserver::onNext里接收请求，并交给RaftServerImpl:: appendEntriesAsync处理，appendEntriesAsync需要首先校验Leader的请求，包括该请求的源Server是否是Leader，以及该请求是否已经在Follower写入等，然后将请求写入日志，处理完后回复给leader，leader在GrpcLogAppender的AppendLogResponseHandler::onNext检查follower是否写成功。如果leader和两个follower大多数写成功，leader向client回复成功，client在上文提到的GrpcClientProtocolClient的AsyncStreamObservers::onNext处理回复。