分布式算法 —— ZAB算法

分布式算法 – ZAB（Zookeeper Atomic Broadcast）算法

ZAB协议

ZAB 协议全称：Zookeeper Atomic Broadcast（Zookeeper 原子广播协议）。

• Zookeeper 是一个为分布式应用提供高效且可靠的分布式协调服务。在解决分布式一致性方面，Zookeeper 并没有使用 Paxos ，而是采用了 ZAB 协议。
• ZAB 协议定义：ZAB 协议是为分布式协调服务 Zookeeper 专门设计的一种支持 崩溃恢复 和原子广播协议。
• 基于该协议，Zookeeper 实现了一种 主备模式 的系统架构来保持集群中各个副本之间数据一致性。

• 复制过程类似 2PC，ZAB 只需要 Follower 有一半以上返回 Ack 信息就可以执行提交，大大减小了同步阻塞。也提高了可用性。

原子广播

ZAB 协议的消息广播过程使用的是一个原子广播协议，类似一个 二阶段提交过程。

对于客户端发送的写请求，全部由 Leader 接收，Leader 将请求封装成一个事务 Proposal，将其发送给所有 Follwer ，

然后，根据所有 Follwer 的反馈，如果超过半数成功响应，则执行 commit 操作（先提交自己，再发送 commit 给所有 Follwer）

值得注意的是：

    Leader 在收到客户端请求之后，会将这个请求封装成一个事务，并给这个事务分配一个全局递增的唯一 ID，称为事务ID（ZXID），ZAB 兮协议需要保证事务的顺序，因此必须将每一个事务按照 ZXID 进行先后排序然后处理。

    在 Leader 和 Follower 之间还有一个消息队列，用来解耦他们之间的耦合，解除同步阻塞。

    zookeeper集群中为保证任何所有进程能够有序的顺序执行，只能是 Leader 服务器接受写请求，即使是 Follower 服务器接受到客户端的请求，也会转发到 Leader 服务器进行处理。

    实际上，这是一种简化版本的 2PC，并不能解决单点问题。

崩溃恢复

    当Leader崩溃（与过半的Follower失去联系），就会进入崩溃恢复模式。

ZAB定义两个原则：

• ZAB 协议确保那些已经在 Leader 提交的事务最终会被所有服务器提交。
• ZAB 协议确保丢弃那些只在 Leader 提出/复制，但没有提交的事务。

    所以，ZAB 设计了下面这样一个选举算法：能够确保提交已经被 Leader 提交的事务，同时丢弃已经被跳过的事务。

    针对这个要求，如果让 Leader 选举算法能够保证新选举出来的 Leader 服务器拥有集群总所有机器编号（即 ZXID 最大）的事务，那么就能够保证这个新选举出来的 Leader 一定具有所有已经提交的提案。

    而且这么做有一个好处是：可以省去 Leader 服务器检查事务的提交和丢弃工作的这一步操作。

graph LR
A(Leader崩溃) –> B(根据ZXID选举Leader) –> C(选举成功,开始同步数据)

数据同步

    当崩溃恢复之后，需要确认是否完成了数据同步。目的是为了保持数据一致。当所有的 Follwer 服务器都成功同步之后，Leader 会将这些服务器加入到可用服务器列表中。

    Leader服务器处理或丢弃事务都是依赖 ZXID ，下面是ZXID的生成过程：

    在 ZAB 协议的事务编号 ZXID 设计中，ZXID 是一个 64 位的字节码。

    其中低 32 位可以看作是一个简单的递增的计数器，针对客户端的每一个事务请求，Leader 都会产生一个新的事务 Proposal 并对该计数器进行 + 1 操作。

    而高 32 位则代表了 Leader 服务器上取出本地日志中最大事务 Proposal 的 ZXID，并从该 ZXID 中解析出对应的 epoch 值，然后再对这个值加一。

    高 32 位代表了每代 Leader 的唯一性，低 32 代表了每代 Leader 中事务的唯一性。同时，也能让 Follower 通过高 32 位识别不同的 Leader。简化了数据恢复流程。

    基于这样的策略：当 Follower 链接上 Leader 之后，Leader 服务器会根据自己服务器上最后被提交的 ZXID 和 Follower 上的 ZXID 进行比对，比对结果要么回滚，要么和 Leader 同步。