Для чего нужна данная статья? :
- Использовать низкоуровневые сетевые библиотеки, tokio или async-std, для создания собственных протоколов обмена данными между узлами.
- Реализовать алгоритмы распределенного консенсуса (например, Raft или Paxos) с использованием библиотек, таких как raft-rs.
- Разработать механизм хранения данных с использованием sled или rocksdb.
Зачем Вам это уметь? :
- Увеличить масштабируемость, надежность, производительность и удобство разработки распределенных систем.
1. Дизайн протоколов взаимодействия с использованием tokio
Для сетевого взаимодействия будем использовать библиотеку tokio, которая позволяет писать асинхронный код.
# В Cargo.toml
[dependencies]
tokio = { version = "1", features = ["full"] }
serde = { version = "1", features = ["derive"] }
serde_json = "1"
Сервер
use tokio::net::TcpListener;
use tokio::io::{AsyncReadExt, AsyncWriteExt};
use serde::{Serialize, Deserialize};
#[derive(Serialize, Deserialize)]
struct Request {
command: String,
key: String,
value: Option<String>,
}
#[derive(Serialize, Deserialize)]
struct Response {
success: bool,
value: Option<String>,
}
#[tokio::main]
async fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
let listener = TcpListener::bind("127.0.0.1:8080").await?;
loop {
let (mut socket, _) = listener.accept().await?;
tokio::spawn(async move {
let mut buf = vec![0; 1024];
match socket.read(&mut buf).await {
Ok(n) if n == 0 => return,
Ok(n) => {
let req: Request = serde_json::from_slice(&buf[..n]).unwrap();
let resp = handle_request(req).await;
let resp_bytes = serde_json::to_vec(&resp).unwrap();
socket.write_all(&resp_bytes).await.unwrap();
},
Err(e) => eprintln!("failed to read from socket; err = {:?}", e),
}
});
}
}
async fn handle_request(req: Request) -> Response {
// Пример простой логики обработки запроса
Response { success: true, value: req.value }
}
2. Реализация алгоритма консенсуса (Raft)
Для реализации алгоритма консенсуса Raft можно использовать библиотеку raft-rs.
[dependencies]
tokio = { version = "1", features = ["full"] }
raft = "0.7"
async-raft = "0.6"
serde = { version = "1", features = ["derive"] }
serde_json = "1"
Основная логика узла
Создадим основные компоненты для работы с Raft.
Структуры данных
Определим структуры данных для журнала и состояния узла.
use serde::{Serialize, Deserialize};
use async_raft::raft::{Entry, EntryPayload};
#[derive(Debug, Serialize, Deserialize)]
pub struct MyRequest {
pub key: String,
pub value: String,
}
#[derive(Debug, Serialize, Deserialize)]
pub struct MyResponse {
pub success: bool,
pub value: Option<String>,
}
#[derive(Debug, Serialize, Deserialize)]
pub struct MyLog {
pub request: MyRequest,
}
#[derive(Debug, Serialize, Deserialize)]
pub struct MyState {
pub data: std::collections::HashMap<String, String>,
}
FSM (Состояние конечного автомата)
Создадим FSM для обработки команд.
use async_raft::{AppData, AppDataResponse, NodeId, RaftNetwork, RaftStorage};
use async_trait::async_trait;
use tokio::sync::RwLock;
use std::sync::Arc;
use async_raft::storage::MemStore;
#[derive(Clone)]
pub struct MyRaft {
pub id: NodeId,
pub network: Arc<dyn RaftNetwork<MyRequest, MyResponse>>,
pub storage: Arc<MemStore<MyRequest, MyResponse>>,
}
impl MyRaft {
pub async fn new(id: NodeId, network: Arc<dyn RaftNetwork<MyRequest,
MyResponse>>, storage: Arc<MemStore<MyRequest, MyResponse>>) -> Self {
MyRaft { id, network, storage }
}
}
#[async_trait]
impl RaftStorage<MyRequest, MyResponse> for MyRaft {
type Snapshot = ();
async fn get_membership_config(&self) -> Result<(async_raft::MembershipConfig,
u64), async_raft::StorageError> {
self.storage.get_membership_config().await
}
async fn get_initial_state(&self) -> Result<async_raft::RaftState,
async_raft::StorageError> {
self.storage.get_initial_state().await
}
async fn save_hard_state(&self, hs: &async_raft::RaftState) -> Result<(),
async_raft::StorageError> {
self.storage.save_hard_state(hs).await
}
async fn get_log_entries(&self, start: u64, stop: u64) ->
Result<Vec<Entry<MyRequest>>, async_raft::StorageError> {
self.storage.get_log_entries(start, stop).await
}
async fn delete_logs_from(&self, start: u64, end: Option<u64>) -> Result<(),
async_raft::StorageError> {
self.storage.delete_logs_from(start, end).await
}
async fn append_entry_to_log(&self, entry: &Entry<MyRequest>) -> Result<(),
async_raft::StorageError> {
self.storage.append_entry_to_log(entry).await
}
async fn replicate_to_log(&self, entries: &[Entry<MyRequest>]) -> Result<(),
async_raft::StorageError> {
self.storage.replicate_to_log(entries).await
}
async fn apply_entry_to_state_machine(&self, index: &u64, data: &MyRequest) ->
Result<MyResponse, async_raft::StorageError> {
// Обработка данных
Ok(MyResponse { success: true, value: Some(data.value.clone()) })
}
async fn replicate_to_state_machine(&self, entries: &[(&u64, &MyRequest)]) ->
Result<(), async_raft::StorageError> {
// Репликация данных
Ok(())
}
async fn do_log_compaction(&self) -> Result<(), async_raft::StorageError> {
Ok(())
}
async fn create_snapshot(&self) -> Result<(Self::Snapshot,
async_raft::SnapshotMeta), async_raft::StorageError> {
Ok(((), async_raft::SnapshotMeta::default()))
}
async fn finalize_snapshot_installation(&self, snapshot: Self::Snapshot, index: u64)
-> Result<(), async_raft::StorageError> {
Ok(())
}
async fn get_current_snapshot(&self) -> Result<Option<(async_raft::SnapshotMeta,
Box<Self::Snapshot>)>, async_raft::StorageError> {
Ok(None)
}
}
Сетевой слой
Создадим сетевой слой для взаимодействия между узлами.
use async_raft::{RaftNetwork, RaftNetworkFactory, NodeId};
use async_raft::raft::{AppendEntriesRequest, AppendEntriesResponse, VoteRequest,
VoteResponse, InstallSnapshotRequest, InstallSnapshotResponse};
use async_trait::async_trait;
use std::sync::Arc;
pub struct MyNetwork {
// Можете использовать любые структуры данных для хранения состояния сети
}
#[async_trait]
impl RaftNetwork<MyRequest, MyResponse> for MyNetwork {
async fn send_append_entries(&self, target: NodeId, rpc:
AppendEntriesRequest<MyRequest>) -> Result<AppendEntriesResponse,
async_raft::NetworkError> {
// Отправка AppendEntries RPC
Ok(AppendEntriesResponse { term: rpc.term, success: true })
}
async fn send_install_snapshot(&self, target: NodeId, rpc: InstallSnapshotRequest)
-> Result<InstallSnapshotResponse, async_raft::NetworkError> {
// Отправка InstallSnapshot RPC
Ok(InstallSnapshotResponse { term: rpc.term })
}
async fn send_vote(&self, target: NodeId, rpc: VoteRequest) ->
Result<VoteResponse, async_raft::NetworkError> {
// Отправка Vote RPC
Ok(VoteResponse { term: rpc.term, vote_granted: true })
}
}
Инициализация узла Raft
use async_raft::Config;
use std::time::Duration;
#[tokio::main]
async fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
let id = 1; // ID текущего узла
let network = Arc::new(MyNetwork {});
let storage = Arc::new(MemStore::new());
let config = Arc::new(Config::build("my_raft_cluster".into())
.election_timeout_min(150)
.election_timeout_max(300)
.heartbeat_interval(50)
.build()?);
let raft = async_raft::Raft::new(id, config.clone(), network.clone(), storage.clone());
// Запуск узла
tokio::spawn(async move {
raft.start().await.unwrap();
});
// Пример отправки команды
let request = MyRequest { key: "example".into(), value: "value".into() };
let response = raft.client_write(request).await.unwrap();
println!("Response: {:?}", response);
Ok(())
}
3. Система хранения данных с использованием sled
Для хранения данных используем sled, быстрый и надежный embedded-хранилище данных.
# В Cargo.toml
[dependencies]
sled = "0.34"
serde = { version = "1", features = ["derive"] }
serde_json = "1"
use sled::{Db, IVec};
use serde::{Serialize, Deserialize};
#[derive(Serialize, Deserialize)]
struct Data {
key: String,
value: String,
}
fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
let db = sled::open("my_db")?;
// Пример записи данных
let data = Data { key: "example".to_string(), value: "value".to_string() };
let serialized_data = serde_json::to_vec(&data)?;
db.insert(data.key.as_bytes(), serialized_data)?;
// Пример чтения данных
if let Some(serialized_data) = db.get("example")? {
let data: Data = serde_json::from_slice(&serialized_data)?;
println!("Retrieved: {:?}", data);
}
Ok(())
}
Объединение всех компонентов
Для создания полноценной распределенной СУБД нужно интегрировать все эти компоненты вместе. Это будет включать создание узлов, которые будут взаимодействовать друг с другом через сетевые протоколы, согласовывать изменения данных с использованием Raft и хранить данные в sled.