ZAB协议详解

ZooKeeper使用了一种称为ZooKeeper Atomic Broadcast（ZAB，ZooKeeper原子消息广播协议）的协议作为其数据一致性的核心算法，ZAB协议是为分布式协调服务ZooKeeper专门设计的一种能保证操作顺序性的、基于主备模式的原子广播协议

1、ZAB中的三个角色

ZAB支持3种成员身份（领导者、跟随者、观察者）

• 领导者（Leader）：作为主节点，在同一时间集群只会有一个领导者。所有的写请求都必须在领导者节点上执行
• 跟随者（Follower）：作为备份节点，集群可以有多个跟随者，它们会响应领导者的心跳，并参与领导者选举和提案提交的投票。跟随者可以直接处理并响应来自客户端的读请求，但对于写请求，跟随者需要将它转发给领导者处理
• 观察者（Observer）：作为备份节点，类似跟随者，但是观察者不参与领导者选举和提案提交的投票

ZAB中定义了4种成员状态

• LOOKING：选举状态，该状态下的节点认为当前集群中没有领导者，会发起领导者选举
• FOLLOWING：跟随者状态，意味着当前节点是跟随者
• LEADING：领导者状态，意味着当前节点是领导者
• OBSERVING：观察者状态，意味着当前节点

为什么多了一种成员状态？是因为ZAB支持领导者选举，在选举过程中，涉及了一个过渡状态，也就是选举状态

2、ZAB如何实现操作的顺序性的

假设节点A为主节点，节点B、C为备份节点；有两个指令X、Y，指令X在指令Y之前执行

在ZAB中，写操作必须在主节点A上执行。如果客户端访问的节点时备份节点B，它会将写请求转发给主节点

当主节点接收到写请求后，它会基于写请求中的指令X、Y，来创建一个提案（Proposal），并使用一个唯一的ID来标识这个提案。这个唯一的ID是指事务标识符（Transaction ID，也就是zxid）

上图中，X、Y对应的事务标识符分别为<1,1>和<1,2>，这两个标识符是什么含义呢？

事务标识符是64位的long型变量，有任期编号epoch和计数器counter两部分组成，格式为，高32位为任期编号，低32位为计数器：

• 任期编号：创建提案时领导者的任期编号，当新领导者当选时，任期编号递增，计数器被设置为零。前领导者的任期编号为1，那么新领导者对应的任期编号为2
• 计数器：具体标识提案的整数，每次领导者创建新的提案时，计数器将递增。比如，前一个提案对应的计数器值为1，那么新的提案对应的计数器值将为2

事务标识符必须按照顺序、唯一标识一个提案，也就是说，事务标识符必须是唯一的、递增的

在创建完提案之后，主节点会基于TCP协议（TCP协议本身支持按序确认），并按照顺序将提案广播到其他节点。这样就能保证先发送的消息，会先被收到，保证了消息接收的顺序性（X一定在Y之前到达节点B、C）

然后，当主节点收到指定提案的大多数的确认响应后，该提案处于提交状态（Committed），主节点会通知备份节点提交该提案

主节点提交提案也是有顺序的，会根据事务标识符大小，按照顺序提交提案，如果前一个提案未提交，此时主节点是不会提交后一个提案的。也就是说，指令X一定会在指令Y之前提交

最后，主节点返回执行成功的响应给节点B，节点B在转发给客户端

为了提升读并发能力，Zookeeper提供的是最终一致性，也就是读操作可以在任何节点上执行，客户端会读到旧数据：

如果客户端必须要读到最新数据，可以在执行读操作前，先执行sync命令，这样客户端就能读到最新数据了

小结：

1. Leader从客户端收到一个事务请求（如果是集群中其他机器接收到客户端的事务请求，会直接转发给Leader服务器）
2. Leader服务器生成一个对应的事务Proposal，并为这个事务生成一个全局递增的唯一的ZXID（通过其ZXID来进行排序保证顺序性）
3. Leader将这个事务发送给所有的Follower节点
4. Follower节点将收到的事务请求加入到历史队列（Leader会为每个Follower分配一个单独的队列先进先出，顺序保证消息的因果关系）中，并发送ack给Leader
5. 当Leader收到超过半数Follower的ack消息，Leader会广播一个commit消息
6. 当Follower收到commit请求时，会判断该事务的ZXID是不是比历史队列中的任何事务的ZXID都小，如果是则提交，如果不是则等待比它更小的事务的commit

3、如何选举主节点

假设投票信息的格式是，其中：

• proposedLeader：节点提议的领导者的集群ID，也就是集群配置（比如myid配置文件）时指定的ID
• proposedEpoch：节点提议的领导者的任期编号
• proposedLastZxid：节点提议的领导者的事务标识符最大值（也就是最新提案的事务标识符）
• node：投票的节点，比如节点B

假设一个ZooKeeper集群，由节点A、B、C组成，其中节点A是领导者，节点B、C是跟随者。假设B和C的epoch分别是1和1、lastZxid分别是101和102、集群ID分别是2和3。如果节点A宕机了，会如何选举？

首先，当跟随者检测到连接领导者节点的读操作等待超时了，跟随者会变更节点状态，将自己的节点状态变更成LOOKING，然后发起领导者选举

接着，每个节点会创建一张选票，这张选票是投给自己的，也就是说，节点B、C都推荐自己为领导者，并创建选票<2,1,101,B>和<3,1,102,C>，然后各自将选票发送给集群中所有节点，也就是说，B发送给B、C，C也发送给B、C

一般而言，节点会先接收到自己发送给自己的选票，也就是说B会先收到来自B的选票，C会先收到来自C的选票

集群的各节点收到选票后，为了选举出数据最完整的节点，对于每一张接收到选票，节点都需要进行领导者PK，也就将选票提议的领导者和自己提议的领导者进行比较，找出更适合作为领导者的节点，约定的规则如下：

• 优先检查任期编号（Epoch），任期编号大的节点作为领导者
• 如果任期编号相同，比较事务标识符的最大值，值大的节点作为领导者
• 如果事务标识符的最大值相同，比较集群ID，集群ID大的节点作为领导者

如果选票提议的领导者，比自己提议的领导者，更适合作为领导者，那么节点将调整选票内容，推荐选票提议的领导者作为领导者

当节点B、C接收到选票后，因为选票提议的领导者与自己提议的领导者相同，所以，领导者PK的结果，是不需要调整选票的信息，那么节点B、C，正常接收和保存选票就可以了

接着节点B、C分别接收到来自对方的选票，比如B接收到来自C的选票，C接收到来自B的选票：

对C而言，它提议的领导者是C，而选票<2,1,101,B>提议的领导者是B，因为节点C的任期编号与节点B相同，但节点C的事务标识符的最大值比节点B的大，那么，按照约定的原则，相比节点B，节点C更适合作为领导者，也就是说，节点C不需要调整选票信息，正常接收和保存选票就可以了

但对于节点B而言，它提议的领导者是B，选票<3,1,102,C>提议的领导者是C，因为节点C的任期编号与节点B相同，但节点C的事务标识符的最大值比节点B的大，那么，按照约定的规则，相比节点B，节点C应该作为领导者，所以，节点B除了接收和保存选票信息，还会更新自己的选票为<3,1,102,B>，也就是推荐C作为领导者，并将选票重新发送给节点B、C

接着，当节点B、C接收到来自节点B，新的选票时，因为这张选票<3,1,102,B>提议的领导者，与他们提议的领导者是一样的，都是节点C，所以，他们正常接收和存储这张选票，就可以

最后，因为此时节点B、C提议的领导者节点C赢得了大多数选票（2张选票），那么，节点B、C将根据选票结果，变更节点状态，并退出选举。比如，因为当选的领导者是节点C，那么节点B将变更状态为FOLLOWING，并退出选举，而节点C将变更状态为LEADING，并退出选举

参考：

「分布式一致性协议」从 2PC、3PC、Paxos 到 ZAB

15 | ZAB协议：如何实现操作的顺序性？

加餐 | ZAB协议（一）：主节点崩溃了，怎么办？