Zab：Zookeeper 中的分布式一致性协议介绍

ZAB 协议介绍

1. ZAB 协议全称：Zookeeper Atomic Broadcast（Zookeeper 原子广播协议）。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

有客户端写入数据都是写入到 主进程（称为 Leader）中，然后，由 Leader 复制到备份进程（称为 Follower）中。从而保证数据一致性。从设计上看，和 Raft 类似。

那么复制过程又是如何的呢？

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。

简单介绍完，开始重点介绍 消息广播 和 崩溃恢复。整个 Zookeeper 就是在这两个模式之间切换。 简而言之，当 Leader 服务可以正常使用，就进入消息广播模式，当 Leader 不可用时，则进入崩溃恢复模式。

协议内容

Zab 协议分为两大块：

• 广播（boardcast）：Zab 协议中，所有的写请求都由 leader 来处理。正常工作状态下，leader 接收请求并通过广播协议来处理。
• 恢复（recovery）：当服务初次启动，或者 leader 节点挂了，系统就会进入恢复模式，直到选出了有合法数量 follower 的新 leader，然后新 leader 负责将整个系统同步到最新状态。

消息广播（boardcast）

问题的提出

Zookeeper 客户端会随机连接到 Zookeeper 集群的一个节点，如果是读请求，就直接从当前节点中读取数据；如果是写请求，那么节点就会向 leader 提交事务，leader 会广播事务，只要有超过半数节点写入成功，该写请求就会被提交（类 2PC 协议）。

那么问题来了：

• 主从架构下，leader 崩溃，数据一致性怎么保证？

leader 崩溃之后，集群会选出新的 leader，然后就会进入恢复阶段，新的 leader 具有所有已经提交的提议，因此它会保证让 followers 同步已提交的提议，丢弃未提交的提议（以 leader 的记录为准），这就保证了整个集群的数据一致性。

• 选举 leader 的时候，整个集群无法处理写请求的，如何快速进行 leader 选举？

这是通过 Fast Leader Election 实现的，leader 的选举只需要超过半数的节点投票即可，这样不需要等待所有节点的选票，能够尽早选出 leader。

ZAB 的四个阶段

术语解释

• quorum：集群中超过半数的节点集合

ZAB 中的节点有三种状态

• following：当前节点是跟随者，服从 leader 节点的命令
• leading：当前节点是 leader，负责协调事务
• election/looking：节点处于选举状态

代码实现中多了一种：observing 状态，这是 Zookeeper 引入 Observer 之后加入的，Observer 不参与选举，是只读节点，跟 ZAB 协议没有关系

节点的持久状态

• history：当前节点接收到事务提议的 log
• acceptedEpoch：follower 已经接受的 leader 更改年号的 NEWEPOCH 提议
• currentEpoch：当前所处的年代
• lastZxid：history 中最近接收到的提议的 zxid （最大的）

ZAB 的实现只有三个阶段：

Fast Leader Election

前面提到 FLE 会选举拥有最新提议历史（lastZixd最大）的节点作为 leader，这样就省去了发现最新提议的步骤。这是基于拥有最新提议的节点也有最新提交记录的前提。

成为 leader 的条件

1. 选epoch最大的
2. epoch相等，选 zxid 最大的
3. epoch和zxid都相等，选择server id最大的（就是我们配置zoo.cfg中的myid）

节点在选举开始都默认投票给自己，当接收其他节点的选票时，会根据上面的条件更改自己的选票并重新发送选票给其他节点，当有一个节点的得票超过半数，该节点会设置自己的状态为 leading，其他节点会设置自己的状态为 following。

广播的过程实际上是一个简化的二阶段提交过程：

Leader 接收到消息请求后，将消息赋予一个全局唯一的 64 位自增 id，叫做：zxid，通过 zxid 的大小比较即可实现因果有序这一特性。

Leader 通过先进先出队列（通过 TCP 协议来实现，以此实现了全局有序这一特性）将带有 zxid 的消息作为一个提案（proposal）分发给所有 follower。

当 follower 接收到 proposal，先将 proposal 写到硬盘，写硬盘成功后再向 leader 回一个 ACK。

当 leader 接收到合法数量的 ACKs 后，leader 就向所有 follower 发送 COMMIT 命令，同事会在本地执行该消息。

当 follower 收到消息的 COMMIT 命令时，就会执行该消息

还有一些细节：

1. 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 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。
2. 在 Leader 和 Follwer 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。
3. 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。
4. 实际上，这是一种简化版本的 2PC，不能解决单点问题。等会我们会讲述 ZAB 如何解决单点问题（即 Leader 崩溃问题）。

崩溃恢复（recovery）

由于之前讲的 Zab 协议的广播部分不能处理 leader 挂掉的情况，Zab 协议引入了恢复模式来处理这一问题。为了使 leader 挂了后系统能正常工作，需要解决以下两个问题：

• 已经被处理的消息不能丢
• 被丢弃的消息不能再次出现

已经被处理的消息不能丢

这一情况会出现在以下场景：当 leader 收到合法数量 follower 的 ACKs 后，就向各个 follower 广播 COMMIT 命令，同时也会在本地执行 COMMIT 并向连接的客户端返回「成功」。但是如果在各个 follower 在收到 COMMIT 命令前 leader 就挂了，导致剩下的服务器并没有执行都这条消息。

如图 1-1，消息 1 的 COMMIT 命令 Server1（leader）和 Server2（follower） 上执行了，但是 Server3 还没有收到消息 1 的 COMMIT 命令，此时 leader Server1 已经挂了，客户端很可能已经收到消息 1 已经成功执行的回复，经过恢复模式后需要保证所有机器都执行了消息 1。

为了实现已经被处理的消息不能丢这个目的，Zab 的恢复模式使用了以下的策略：

1. 选举拥有 proposal 最大值（即 zxid 最大） 的节点作为新的 leader：由于所有提案被 COMMIT 之前必须有合法数量的 follower ACK，即必须有合法数量的服务器的事务日志上有该提案的 proposal，因此，只要有合法数量的节点正常工作，就必然有一个节点保存了所有被 COMMIT 消息的 proposal 状态。
2. 新的 leader 将自己事务日志中 proposal 但未 COMMIT 的消息处理。
3. 新的 leader 与 follower 建立先进先出的队列， 先将自身有而 follower 没有的 proposal 发送给 follower，再将这些 proposal 的 COMMIT 命令发送给 follower，以保证所有的 follower 都保存了所有的 proposal、所有的 follower 都处理了所有的消息。

通过以上策略，能保证已经被处理的消息不会丢

被丢弃的消息不能再次出现

这一情况会出现在以下场景：当 leader 接收到消息请求生成 proposal 后就挂了，其他 follower 并没有收到此 proposal，因此经过恢复模式重新选了 leader 后，这条消息是被跳过的。 此时，之前挂了的 leader 重新启动并注册成了 follower，他保留了被跳过消息的 proposal 状态，与整个系统的状态是不一致的，需要将其删除。

如图 1-2 ，在 Server1 挂了后系统进入新的正常工作状态后，消息 3被跳过，此时 Server1 中的 P3 需要被清除。

Zab 通过巧妙的设计 zxid 来实现这一目的。一个 zxid 是64位，高 32 是纪元（epoch）编号，每经过一次 leader 选举产生一个新的 leader，新 leader 会将 epoch 号 +1。低 32 位是消息计数器，每接收到一条消息这个值 +1，新 leader 选举后这个值重置为 0。这样设计的好处是旧的 leader 挂了后重启，它不会被选举为 leader，因为此时它的 zxid 肯定小于当前的新 leader。当旧的 leader 作为 follower 接入新的 leader 后，新的 leader 会让它将所有的拥有旧的 epoch 号的未被 COMMIT 的 proposal 清除。

总结

ZAB 协议和我们之前看的 Raft 协议实际上是有相似之处的，比如都有一个 Leader，用来保证一致性（Paxos 并没有使用 Leader 机制保证一致性）。再有采取过半即成功的机制保证服务可用（实际上 Paxos 和 Raft 都是这么做的）。

ZAB 让整个 Zookeeper 集群在两个模式之间转换，消息广播和崩溃恢复，消息广播可以说是一个简化版本的 2PC，通过崩溃恢复解决了 2PC 的单点问题，通过队列解决了 2PC 的同步阻塞问题。

而支持崩溃恢复后数据准确性的就是数据同步了，数据同步基于事务的 ZXID 的唯一性来保证。通过 + 1 操作可以辨别事务的先后顺序。