Zookeeper的ZAB协议

一、ZAB 协议

ZAB(Zookeeper Atomic Broadcast) 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的原子广播协议。在 ZooKeeper 中，主要依赖 ZAB 协议来实现分布式数据一致性，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的数据一致性。

二、ZAB 协议介绍

ZAB 协议包含两种基本模式，分别是崩溃恢复和原子广播。

崩溃恢复：当整个集群在启动或者当 leader 节点出现网络中断、崩溃等情况时，ZAB 协议就会进入恢复模式并选举产生新的 leader，当 leader 服务器选举出来后并且集群中有过半的机器和该 leader 节点完成数据同步(用来保证集群中过半的机器能够和 leader 服务器的数据状态保持一致)后，ZAB 协议就会退出恢复模式。简单地说，就是 leader 挂了，然后需要选举出新的 leader（ZK是有中心化节点的中间件），完成新 leader 和 follower 和 observer 的数据同步。

举个栗子：国家总统挂了，国家处于紧急状态，然后选举出一个新的总统，待新总统完成工作交接后，国家结束紧急状态。

原子广播：当集群中已经有过半的 follower 节点完成了和 leader 状态同步以后，那么整个集群就进入了消息广播模式。这个时候 leader 节点正常工作，如果启动一台新的服务器加入到集群，那这个服务器会直接进入数据恢复模式，和 leader 节点进行数据同步。同步完成后即可正常对外提供非事务请求的处理。

需要注意的是:leader 节点可以处理事务请求和非事务请求，follower 节点只能处理非事务请求，如果 follower 节点接收到非事务请求，会把这个请求转发给 leader 服务器。

三、消息广播的原理（zxid）：消息广播的过程实际上是一个简化版本的二阶段提交过程。

1. 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:zxid），通过 zxid 的大小比较既可以实现因果有序这个特征。

2. leader 为每个 follower 准备了一个 FIFO 队列(通过 TCP协议来实现，以实现了全局有序这一个特点)将带有 zxid的消息作为一个提案(proposal)分发给所有的 follower。

3. 当 follower 接收到 proposal，先把 proposal 写到磁盘，写入成功以后再向 leader 回复一个 ack。

4. 当 leader 接收到合法数量(超过半数节点)的 ACK 后，leader 就会向这些 follower 发送 commit 命令，同时会在本地执行该消息。

5. 当 follower 收到消息的 commit 命令以后会提交该消息。

这里需要注意的是: leader 的投票过程，不需要 Observer 的 ack，也就是 Observer 不需要参与投票过程，但是 Observer 必须要同步 Leader 的数据从而在处理请求的时候保证数据的一致性，用来实现提升读性能。

四、崩溃恢复的实现原理

前面我们已经清楚了 ZAB 协议中的消息广播过程，ZAB 协议的这个基于原子广播协议的消息广播过程，在正常情况下是没有任何问题的，但是一旦 leader 节点崩溃或者由于网络问题导致 leader 服务器失去了过半的 follower 节点的联系(leader 失去与过半 follower 节点联系，可能是 leader 节点和 follower 节点之间产生了网络分区，那么此时的 leader 不再是合法的 leader 了)，那么就会进入到崩溃恢复模式。崩溃恢复状态下 zab 协议需要做两件事：1. 选举出新的 leader；2. 数据同步；

ZAB 协议中的崩溃恢复需要保证，如果一个事务 Proposal 在一台机器上被处理成功，那么这个事务应该在所有机器上都被处理成功，哪怕是出现故障。为了达到这个目的，我们先来设想一下，在 zookeeper 中会有哪些场景导致数据不一致性，以及针对这个场景zab 协议中的崩溃恢复应该怎么处理。

1. 已经被处理的消息不能丢：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 acks 。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。即 leader 在发 commit 命令前挂了（此时 follower 已经将该消息存入本地，只是没有 commit ），导致 follower 没有收到这条已经被 leader 处理的消息。

2. 被丢弃的消息不能再次出现：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。

ZAB 协议需要满足上面两种情况，就必须要设计一个 leader 选举算法：能够确保已经被 leader 提交的事务 Proposal 能够提交、同时丢弃已经被跳过的事务 Proposal。

1. 如果 leader 选举算法能够保证新选举出来的 Leader 服务器拥有集群中所有机器最高编号(ZXID 最大)的事务 Proposal，那么就可以保证这个新选举出来的 Leader 一定具有已经提交的提案。因为所有提案被 COMMIT 之前必须有超过半数的 follower ACK，即必须有超过半数节点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. zxid 是 64 位，高 32 位是 epoch 编号，每经过一次 Leader 选举产生一个新的 leader，新的 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，这样设计的好处在于老的 leader 挂了以后重启，它不会被选举为 leader，因此此时它的 zxid 肯定小于当前新的 leader。当老的 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。

选主：leader选举是zk中最重要的技术之一，也是保证分布式数据一致性的关键所在。当集群中的一台服务器处于如下两种情况之一时，就会进入leader选举阶段——服务器初始化启动、服务器运行期间无法与leader保持连接。选举阶段，集群间互传的消息称为投票，投票Vote主要包括二个维度的信息：ID、ZXID

ID：被推举的leader的服务器ID，集群中的每个zk节点启动前就要配置好这个全局唯一的ID。
ZXID：被推举的leader的事务ID ，该值是从机器DataTree内存中取的，即事务已经在机器上被commit过了。

节点进入选举阶段后的大体执行逻辑如下：

（1）设置状态为LOOKING，初始化内部投票Vote (id,zxid) 数据至内存，并将其广播到集群其它节点。节点首次投票都是选举自己作为leader，将自身的服务ID、处理的最近一个事务请求的ZXID（ZXID是从内存数据库里取的，即该节点最近一个完成commit的事务id）及当前状态广播出去。然后进入循环等待及处理其它节点的投票信息的流程中。

（2）循环等待流程中，节点每收到一个外部的Vote信息，都需要将其与自己内存Vote数据进行PK，规则为取ZXID大的，若ZXID相等，则取ID大的那个投票。若外部投票胜选，节点需要将该选票覆盖之前的内存Vote数据，并再次广播出去；同时还要统计是否有过半的赞同者与新的内存投票数据一致，无则继续循环等待新的投票，有则需要判断leader是否在赞同者之中，在则退出循环，选举结束后根据选举结果及各自角色切换状态，leader切换成LEADING、follower切换到FOLLOWING、observer切换到OBSERVING状态。

伪代码：

if (接收到的投票的选举周期 > 本服务器当前的选举周期) {
    // 修改本服务器的选举周期为接收到的投票的选举周期
    // 清空本服务器的投票箱（表示选举周期落后，重新开始投票）
    // 比较接收到的选票所选择的服务器与本服务器的数据谁更新，本服务器将选票投给数据较新者
    // 发送选票
} else if(接收到的投票的选举周期 < 本服务器当前的选举周期){
    // 接收到的投票的选举周期落后了，本服务器直接忽略此投票
} else if(选举周期一致) {
    // 比较接收到的选票所选择的服务器与本服务器当前所选择的服务器的数据谁更新，本服务器将选票投给数据较新者
    // 发送选票
}

ZooKeeper集群在进行领导者选举的过程中不能对外提供服务