簡(jiǎn)介

ZAB 是 ZooKeeper Atomic Broadcast （ZooKeeper 原子廣播協(xié)議）的縮寫歧譬，它是特別為 ZooKeeper 設(shè)計(jì)的崩潰可恢復(fù)的原子消息廣播算法。ZooKeeper 使用 Leader 群首服務(wù)器來(lái)接收并處理所有事務(wù)請(qǐng)求祠挫，并采用 ZAB 協(xié)議，將服務(wù)器數(shù)據(jù)的狀態(tài)變更以事務(wù) Proposal 的形式廣播到所有的 Follower 服務(wù)器上去莺治。這種主備模型架構(gòu)保證了同一時(shí)刻集群中只有一個(gè)服務(wù)器廣播服務(wù)器的狀態(tài)變更耕漱，因此能夠很好的處理客戶端大量的并發(fā)請(qǐng)求做粤。

通過 ZAB 協(xié)議提交一個(gè)事務(wù)非常簡(jiǎn)單，類似于一個(gè)兩階段提交：

1. 群首服務(wù)器 Leader 向所有 Follower 發(fā)送一個(gè) Proposal 消息事秀，假設(shè)為 p;
2. 當(dāng)一個(gè) Follower 服務(wù)器接收到消息 p 后彤断，會(huì)響應(yīng)一個(gè) ACK 消息，通知群首它已經(jīng)接受該 Proposal;
3. 當(dāng)收到 仲裁數(shù)量 的服務(wù)器發(fā)送的 ACK 消息后（該仲裁數(shù)包括群首自己）易迹，群首酒會(huì)發(fā)送 Commit 消息給所有 Follower 更新狀態(tài)宰衙。

Observer 服務(wù)器主要用于集群中數(shù)據(jù)的讀擴(kuò)展，并不參與群首選舉和事務(wù) ACK 仲裁睹欲，所以不會(huì)出現(xiàn)在 ZAB 協(xié)議討論中

另外供炼，整個(gè)廣播協(xié)議是基于具有 FIFO 特性的 TCP 協(xié)議來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊的，因此能夠很容易地保證消息廣播過程中消息接收與發(fā)送的順序性窘疮。

zxid

那些會(huì)改變 ZooKeeper 狀態(tài)的客戶端請(qǐng)求（create袋哼，delete 和 setData）將會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)給群首，也就是 Leader 服務(wù)器闸衫，群首執(zhí)行相應(yīng)的操作涛贯，并形成狀態(tài)的更新，則這些更新的操作我們稱之為事務(wù)蔚出。ZooKeeper 集群以事務(wù)方式運(yùn)行弟翘，并確保所有的事務(wù)以原子方式被執(zhí)行虫腋，同時(shí)不被其他事務(wù)所干擾。另外稀余，ZooKeeper 中并不存在類似數(shù)據(jù)庫(kù)中的回滾操作悦冀，它需要確保事務(wù)的每一步操作都互不干擾。

當(dāng)群首產(chǎn)生一個(gè)事務(wù)時(shí)滚躯，就會(huì)為該事務(wù)分配一個(gè)標(biāo)識(shí)符雏门，也就是 zxid。zxid 是一個(gè) long 型（64位）整數(shù)掸掏，分為兩部分：epoch （群首周期） 和 counter （事務(wù)計(jì)數(shù)）茁影。

下面是幾個(gè)表達(dá)式，假設(shè) z 是一個(gè)事務(wù)標(biāo)識(shí) zxid丧凤，

z = < e, c >

e ＝ epoch(z) 表示群首周期

c = counter(z) 表示事務(wù)標(biāo)識(shí)中的事務(wù)計(jì)數(shù)

群首周期 epoch 表示群首序列號(hào)募闲，每當(dāng)老的群首崩潰，新群首的 epoch 遞增自老群首 epoch愿待。所以即使同一個(gè)服務(wù)器浩螺，先后兩次當(dāng)選成群首，兩次 epoch 也是不一樣的仍侥。

事務(wù)計(jì)數(shù) counter 用于同一個(gè)群首周期里要出， 區(qū)分不同事務(wù)的先后。

所以事務(wù)的 zxid 確定了事務(wù)的順序农渊，首先比較 epoch患蹂，如果 epoch 一樣，則比較 counter砸紊。

算法描述

整個(gè) ZAB 協(xié)議主要包括崩潰恢復(fù)和消息廣播兩個(gè)過程传于，進(jìn)一步可以分成三個(gè)階段：發(fā)現(xiàn)，同步和廣播醉顽。發(fā)現(xiàn)和同步組成崩潰恢復(fù)沼溜，遵循 ZAB 協(xié)議的每一個(gè)服務(wù)器，會(huì)循環(huán)執(zhí)行這三個(gè)階段游添，我們將這樣一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)群首周期系草。

發(fā)現(xiàn)

發(fā)現(xiàn)階段就是群首選舉階段，用于在多個(gè) Follower 中選舉出一個(gè) Leader唆涝。如果集群中所有的服務(wù)器均處于 LOOKING 狀態(tài)時(shí)找都，這些服務(wù)器之間就會(huì)進(jìn)行通信來(lái)選舉一個(gè)群首，這個(gè)消息石抡，可以稱之為群首選舉通知（leader election notification）檐嚣。選舉中勝出的服務(wù)器進(jìn)入 LEADING 狀態(tài)，其他服務(wù)器將會(huì)進(jìn)入 FOLLOWING 狀態(tài)。

當(dāng)一個(gè)服務(wù)器進(jìn)入 LOOKING 狀態(tài)嚎京，它會(huì)給集群中所有服務(wù)器發(fā)送群首選舉通知嗡贺。群首選舉通知中包含該服務(wù)器的投票信息 vote，它包含服務(wù)器標(biāo)識(shí) sid（可以在配置文件設(shè)置）和 zxid鞍帝。當(dāng)一個(gè)服務(wù)器收到一個(gè)投票信息诫睬，該服務(wù)器酒會(huì)根據(jù)以下規(guī)則修改自己的投票信息：

1. 假設(shè) voteSid 和 voteZxid 表示接收到通知中的投票信息，mySid 和 myZxid 表示接收方服務(wù)器的當(dāng)前投票信息帕涌；
2. 如果 (voteZxid < myZxid) 或者 (voteZxid = myZxid 且 voteId < mySid)摄凡，那么服務(wù)器保留當(dāng)前自己的投票信息；
3. 否則蚓曼，修改自己的投票信息亲澡，將 voteZxid 和 voteSid 復(fù)制到服務(wù)器當(dāng)前的投票信息，并發(fā)送新一輪投票通知纫版。

簡(jiǎn)而言之床绪，只有最近一次 zxid 的服務(wù)器將贏得選舉，這樣做可以簡(jiǎn)化群首崩潰后重新仲裁的流程其弊，因?yàn)椴疟罎⒒謴?fù)時(shí)癞己，ZooKeeper 不需要將事務(wù)從 Follower 傳到 Leader，而只需要將狀態(tài)從 Leader 傳到 Follower梭伐。

當(dāng)一個(gè)服務(wù)器接收到仲裁數(shù)量的選票都投給某臺(tái)服務(wù)器的話痹雅，就表示群首選舉成功。如果被選舉的群首是自己糊识，則服務(wù)器將會(huì)開始行使群首角色绩社，進(jìn)入 LEADING 狀態(tài)，否則就稱為 Follower技掏，并嘗試連接被選舉的群首服務(wù)器铃将。一旦連接成功项鬼，F(xiàn)ollower 和 Leader 之間將會(huì)進(jìn)行狀態(tài)同步哑梳，同步完成后，F(xiàn)ollower 才可以處理新的請(qǐng)求绘盟。

同步

選完 Leader 以后鸠真，ZooKeeper 就進(jìn)入狀態(tài)同步過程。

1. Leader 等待 Follower 連接龄毡；
2. Follower 連接 Leader吠卷，將最近的 zxid 發(fā)送給 Leader；
3. Leader 根據(jù) Follower 的 zxid 確定同步點(diǎn)沦零；
   • 如果 Follower 滯后不多祭隔，Leader 只需發(fā)送缺失的事務(wù)
   • 如果 Follower 滯后很久，Leader 將發(fā)送在代碼中被稱為 SNAP 的完整快照
4. 完成同步后通知 Follower 已經(jīng)成為 UPTODATE 狀態(tài)路操；
5. Follower 收到 UPTODATE 消息后疾渴，又可以重新接受客戶端請(qǐng)求千贯。

流程圖如下所示：

狀態(tài)同步

廣播

完成同步階段之后，ZAB 協(xié)議就可以正式開始接收客戶端新的事務(wù)請(qǐng)求搞坝，并進(jìn)行廣播流程：

1. Leader 接收到客戶端新的事務(wù)請(qǐng)求后搔谴，會(huì)生成對(duì)應(yīng)的事務(wù) Proposal，并根據(jù) zxid 的順序向所有 Follower 發(fā)送 Proposal桩撮；
2. Follower 根據(jù)消息接收的先后次序處理這些事務(wù) Proposal敦第，并將他們追加到自己的已處理事務(wù)集合中，之后發(fā)送 ACK 消息反饋給 Leader店量；
3. Leader 接收到仲裁數(shù)量的 Follower 針對(duì)事務(wù) Proposal 的 Ack 消息后芜果，就發(fā)送事務(wù) Commit 消息給所有 Follower，要求他們提交數(shù)據(jù)更新狀態(tài)融师。
4. 當(dāng) Follower 接收到來(lái)自 Leader 的 Commit 消息后师幕，就會(huì)提交事務(wù) Proposal，更新狀態(tài)诬滩。需要注意的是霹粥，此時(shí)該 Follower 必定已經(jīng)提交 zxid 更小的其他的事務(wù)。

內(nèi)容來(lái)源

從 Paxos 到 ZooKeeper 分布式一致性原理與實(shí)踐

ZooKeeper 分布式過程協(xié)同技術(shù)詳解

http://codemacro.com/2014/10/19/zk-fastleaderelection/

http://cailin.iteye.com/blog/2014486/