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(chēng)：Zookeeper Atomic Broadcast（Zookeeper 原子廣播協(xié)議）。

Zookeeper 是一個(gè)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(méi)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(zhuān)門(mén)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(huì)重點(diǎn)講這兩個(gè)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(lái)保持集群中各個(gè)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(hù)端寫(xiě)入數(shù)據(jù)都是寫(xiě)入到 主進(jìn)程（稱(chēng)為 Leader）中，然后，由 Leader 復(fù)制到備份進(jìn)程（稱(chēng)為 Follower）中。從而保證數(shù)據(jù)一致性。從設(shè)計(jì)上看，和 Raft 類(lèi)似。

那么復(fù)制過(guò)程又是如何的呢？復(fù)制過(guò)程類(lèi)似 2PC，ZAB 只需要 Follower 有一半以上返回 Ack 信息就可以執(zhí)行提交，大大減小了同步阻塞。也提高了可用性。

簡(jiǎn)單介紹完，開(kāi)始重點(diǎn)介紹?消息廣播?和?崩潰恢復(fù)。整個(gè) Zookeeper 就是在這兩個(gè)模式之間切換。?簡(jiǎn)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(shí)，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(guò)程使用的是一個(gè)原子廣播協(xié)議，類(lèi)似一個(gè)?二階段提交過(guò)程。對(duì)于客戶(hù)端發(fā)送的寫(xiě)請(qǐng)求，全部由 Leader 接收，Leader 將請(qǐng)求封裝成一個(gè)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(guò)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(gè)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(guò)半數(shù)即成功

3.當(dāng)超過(guò)半數(shù)成功回應(yīng)，則執(zhí)行 commit ，同時(shí)提交自己

通過(guò)以上 3 個(gè)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(gè)消息隊(duì)列，用來(lái)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(hù)端請(qǐng)求之后，會(huì)將這個(gè)請(qǐng)求封裝成一個(gè)事務(wù)，并給這個(gè)事務(wù)分配一個(gè)全局遞增的唯一 ID，稱(chēng)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(gè)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(gè)消息隊(duì)列，用來(lái)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(xiě)請(qǐng)求，即使是 Follower 服務(wù)器接受到客戶(hù)端的請(qǐng)求，也會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到 Leader 服務(wù)器進(jìn)行處理。

實(shí)際上，這是一種簡(jiǎn)化版本的 2PC，不能解決單點(diǎn)問(wèn)題。等會(huì)我們會(huì)講述 ZAB 如何解決單點(diǎn)問(wèn)題（即 Leader 崩潰問(wèn)題）。

3. 崩潰恢復(fù)

剛剛我們說(shuō)消息廣播過(guò)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(qǐng)求沒(méi)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(kāi)頭所說(shuō)的崩潰恢復(fù)模式（崩潰即：Leader 失去與過(guò)半 Follwer 的聯(lián)系）。下面來(lái)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(shí)發(fā)送了部分 commit 出去之后崩潰怎么辦？

針對(duì)這些問(wèn)題，ZAB 定義了 2 個(gè)原則：

ZAB 協(xié)議確保那些已經(jīng)在 Leader 提交的事務(wù)最終會(huì)被所有服務(wù)器提交。

ZAB 協(xié)議確保丟棄那些只在 Leader 提出/復(fù)制，但沒(méi)有提交的事務(wù)。

所以，ZAB 設(shè)計(jì)了下面這樣一個(gè)選舉算法：
能夠確保提交已經(jīng)被 Leader 提交的事務(wù)，同時(shí)丟棄已經(jīng)被跳過(guò)的事務(wù)。

針對(duì)這個(gè)要求，如果讓 Leader 選舉算法能夠保證新選舉出來(lái)的 Leader 服務(wù)器擁有集群中所有機(jī)器編號(hào)（即 ZXID 最大）的事務(wù)，那么就能夠保證這個(gè)新選舉出來(lái)的 Leader 一定具有所有已經(jīng)提交的提案。
而且這么做有一個(gè)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(gè)問(wèn)題便能夠解決。假設(shè) 1 最終會(huì)丟棄調(diào)用沒(méi)有提交的數(shù)據(jù)，假設(shè) 2 最終會(huì)同步所有服務(wù)器的數(shù)據(jù)。這個(gè)時(shí)候，就引出了一個(gè)問(wèn)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(hù)端請(qǐng)求），Leader 服務(wù)器首先確認(rèn)事務(wù)是否都已經(jīng)被過(guò)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(huì)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(lài)著 ZXID 的，那么這個(gè) ZXID 如何生成呢？

答：在 ZAB 協(xié)議的事務(wù)編號(hào) ZXID 設(shè)計(jì)中，ZXID 是一個(gè) 64 位的數(shù)字，其中低 32 位可以看作是一個(gè)簡(jiǎn)單的遞增的計(jì)數(shù)器，針對(duì)客戶(hù)端的每一個(gè)事務(wù)請(qǐng)求，Leader 都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的事務(wù) Proposal 并對(duì)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(duì)應(yīng)的 epoch 值，然后再對(duì)這個(gè)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(shí)，也能讓 Follwer 通過(guò)高 32 位識(shí)別不同的 Leader。簡(jiǎn)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(huì)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(duì)，比對(duì)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(gè) Leader，用來(lái)保證一致性（Paxos 并沒(méi)有使用 Leader 機(jī)制保證一致性）。再有采取過(guò)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(gè) Zookeeper 集群在兩個(gè)模式之間轉(zhuǎn)換，消息廣播和崩潰恢復(fù)，消息廣播可以說(shuō)是一個(gè)簡(jiǎn)化版本的 2PC，通過(guò)崩潰恢復(fù)解決了 2PC 的單點(diǎn)問(wèn)題，通過(guò)隊(duì)列解決了 2PC 的同步阻塞問(wèn)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(lái)保證。通過(guò) + 1 操作可以辨別事務(wù)的先后順序。

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選主過(guò)程詳解：https://blog.csdn.net/yizhiniu_xuyw/article/details/114877950

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的ZAB算法详解的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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