ZAB算法详解
前言
ZAB 協(xié)議，該協(xié)議應(yīng)該是所有一致性協(xié)議中生產(chǎn)環(huán)境中應(yīng)用最多的了。為什么呢？因?yàn)樗菫?Zookeeper 設(shè)計(jì)的分布式一致性協(xié)議！
1. 什么是 ZAB 協(xié)議？ ZAB 協(xié)議介紹
ZAB 協(xié)議全稱：Zookeeper Atomic Broadcast（Zookeeper 原子廣播協(xié)議）。
Zookeeper 是一個為分布式應(yīng)用提供高效且可靠的分布式協(xié)調(diào)服務(wù)。在解決分布式一致性方面，Zookeeper 并沒有使用 Paxos ，而是采用了 ZAB 協(xié)議。
ZAB 協(xié)議定義：ZAB 協(xié)議是為分布式協(xié)調(diào)服務(wù) Zookeeper 專門設(shè)計(jì)的一種支持?崩潰恢復(fù)?和?原子廣播?協(xié)議。下面我們會重點(diǎn)講這兩個東西。
基于該協(xié)議，Zookeeper 實(shí)現(xiàn)了一種?主備模式?的系統(tǒng)架構(gòu)來保持集群中各個副本之間數(shù)據(jù)一致性。具體如下圖所示：
上圖顯示了 Zookeeper 如何處理集群中的數(shù)據(jù)。所有客戶端寫入數(shù)據(jù)都是寫入到 主進(jìn)程（稱為 Leader）中，然后，由 Leader 復(fù)制到備份進(jìn)程（稱為 Follower）中。從而保證數(shù)據(jù)一致性。從設(shè)計(jì)上看，和 Raft 類似。
簡單介紹完，開始重點(diǎn)介紹?消息廣播?和?崩潰恢復(fù)。整個 Zookeeper 就是在這兩個模式之間切換。?簡而言之，當(dāng) Leader 服務(wù)可以正常使用，就進(jìn)入消息廣播模式，當(dāng) Leader 不可用時，則進(jìn)入崩潰恢復(fù)模式。
2. 消息廣播
ZAB 協(xié)議的消息廣播過程使用的是一個原子廣播協(xié)議，類似一個?二階段提交過程。對于客戶端發(fā)送的寫請求，全部由 Leader 接收，Leader 將請求封裝成一個事務(wù) Proposal，將其發(fā)送給所有 Follwer ，然后，根據(jù)所有 Follwer 的反饋，如果超過半數(shù)成功響應(yīng)，則執(zhí)行 commit 操作（先提交自己，再發(fā)送 commit 給所有 Follwer）。
基本上，整個廣播流程分為 3 步驟：
1.將數(shù)據(jù)都復(fù)制到 Follwer 中
2.等待 Follwer 回應(yīng) Ack，最低超過半數(shù)即成功
3.當(dāng)超過半數(shù)成功回應(yīng)，則執(zhí)行 commit ，同時提交自己
通過以上 3 個步驟，就能夠保持集群之間數(shù)據(jù)的一致性。實(shí)際上，在 Leader 和 Follwer 之間還有一個消息隊(duì)列，用來解耦他們之間的耦合，避免同步，實(shí)現(xiàn)異步解耦。
還有一些細(xì)節(jié)：
Leader 在收到客戶端請求之后，會將這個請求封裝成一個事務(wù)，并給這個事務(wù)分配一個全局遞增的唯一 ID，稱為事務(wù)ID（ZXID），ZAB 協(xié)議需要保證事務(wù)的順序，因此必須將每一個事務(wù)按照 ZXID 進(jìn)行先后排序然后處理。
在 Leader 和 Follwer 之間還有一個消息隊(duì)列，用來解耦他們之間的耦合，解除同步阻塞。
zookeeper集群中為保證任何所有進(jìn)程能夠有序的順序執(zhí)行，只能是 Leader 服務(wù)器接受寫請求，即使是 Follower 服務(wù)器接受到客戶端的請求，也會轉(zhuǎn)發(fā)到 Leader 服務(wù)器進(jìn)行處理。
實(shí)際上，這是一種簡化版本的 2PC，不能解決單點(diǎn)問題。等會我們會講述 ZAB 如何解決單點(diǎn)問題（即 Leader 崩潰問題）。
3. 崩潰恢復(fù)
剛剛我們說消息廣播過程中，Leader 崩潰怎么辦？還能保證數(shù)據(jù)一致嗎？如果 Leader 先本地提交了，然后 commit 請求沒有發(fā)送出去，怎么辦？
實(shí)際上，當(dāng) Leader 崩潰，即進(jìn)入我們開頭所說的崩潰恢復(fù)模式（崩潰即：Leader 失去與過半 Follwer 的聯(lián)系）。下面來詳細(xì)講述。
假設(shè)1：Leader 在復(fù)制數(shù)據(jù)給所有 Follower 之后崩潰，怎么辦？
假設(shè)2：Leader 在收到 Ack 并提交了自己，同時發(fā)送了部分 commit 出去之后崩潰怎么辦？
針對這些問題，ZAB 定義了 2 個原則：
所以，ZAB 設(shè)計(jì)了下面這樣一個選舉算法：
能夠確保提交已經(jīng)被 Leader 提交的事務(wù)，同時丟棄已經(jīng)被跳過的事務(wù)。
針對這個要求，如果讓 Leader 選舉算法能夠保證新選舉出來的 Leader 服務(wù)器擁有集群中所有機(jī)器編號（即 ZXID 最大）的事務(wù)，那么就能夠保證這個新選舉出來的 Leader 一定具有所有已經(jīng)提交的提案。
而且這么做有一個好處是：可以省去 Leader 服務(wù)器檢查事務(wù)的提交和丟棄工作的這一步操作。
這樣，我們剛剛假設(shè)的兩個問題便能夠解決。假設(shè) 1 最終會丟棄調(diào)用沒有提交的數(shù)據(jù)，假設(shè) 2 最終會同步所有服務(wù)器的數(shù)據(jù)。這個時候，就引出了一個問題，如何同步？
4. 數(shù)據(jù)同步
當(dāng)崩潰恢復(fù)之后，需要在正式工作之前（接收客戶端請求），Leader 服務(wù)器首先確認(rèn)事務(wù)是否都已經(jīng)被過半的 Follwer 提交了，即是否完成了數(shù)據(jù)同步。目的是為了保持?jǐn)?shù)據(jù)一致。
當(dāng)所有的 Follwer 服務(wù)器都成功同步之后，Leader 會將這些服務(wù)器加入到可用服務(wù)器列表中。
實(shí)際上，Leader 服務(wù)器處理或丟棄事務(wù)都是依賴著 ZXID 的，那么這個 ZXID 如何生成呢？
答：在 ZAB 協(xié)議的事務(wù)編號 ZXID 設(shè)計(jì)中，ZXID 是一個 64 位的數(shù)字，其中低 32 位可以看作是一個簡單的遞增的計(jì)數(shù)器，針對客戶端的每一個事務(wù)請求，Leader 都會產(chǎn)生一個新的事務(wù) Proposal 并對該計(jì)數(shù)器進(jìn)行 + 1 操作。
而高 32 位則代表了 Leader 服務(wù)器上取出本地日志中最大事務(wù) Proposal 的 ZXID，并從該 ZXID 中解析出對應(yīng)的 epoch 值，然后再對這個值加一。
高 32 位代表了每代 Leader 的唯一性，低 32 代表了每代 Leader 中事務(wù)的唯一性。同時，也能讓 Follwer 通過高 32 位識別不同的 Leader。簡化了數(shù)據(jù)恢復(fù)流程。
基于這樣的策略：當(dāng) Follower 鏈接上 Leader 之后，Leader 服務(wù)器會根據(jù)自己服務(wù)器上最后被提交的 ZXID 和 Follower 上的 ZXID 進(jìn)行比對，比對結(jié)果要么回滾，要么和 Leader 同步。
5. 總結(jié)
ZAB 協(xié)議和我們之前看的 Raft 協(xié)議實(shí)際上是有相似之處的，比如都有一個 Leader，用來保證一致性（Paxos 并沒有使用 Leader 機(jī)制保證一致性）。再有采取過半即成功的機(jī)制保證服務(wù)可用（實(shí)際上 Paxos 和 Raft 都是這么做的）。
ZAB 讓整個 Zookeeper 集群在兩個模式之間轉(zhuǎn)換，消息廣播和崩潰恢復(fù)，消息廣播可以說是一個簡化版本的 2PC，通過崩潰恢復(fù)解決了 2PC 的單點(diǎn)問題，通過隊(duì)列解決了 2PC 的同步阻塞問題。
而支持崩潰恢復(fù)后數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的就是數(shù)據(jù)同步了，數(shù)據(jù)同步基于事務(wù)的 ZXID 的唯一性來保證。通過 + 1 操作可以辨別事務(wù)的先后順序。
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選主過程詳解：https://blog.csdn.net/yizhiniu_xuyw/article/details/114877950
總結(jié)
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