ZAB协议

前言

Zab（Zookeeper Atomic Broadcast）是为ZooKeeper协设计的崩溃恢复原子广播协议，它保证zookeeper集群数据的一致性和命令的全局有序性。

概念介绍

在介绍zab协议之前首先要知道zookeeper相关的几个概念，才能更好的了解zab协议。

• 集群角色

1. Leader：同一时间集群总只允许有一个Leader，提供对客户端的读写功能，负责将数据同步至各个节点；
2. Follower：提供对客户端读功能，写请求则转发给Leader处理，当Leader崩溃失联之后参与Leader选举；
3. Observer：与Follower不同的是但不参与Leader选举。

• 服务状态

1. LOOKING：当节点认为群集中没有Leader，服务器会进入LOOKING状态，目的是为了查找或者选举Leader；
2. FOLLOWING：follower角色；
3. LEADING：leader角色；
4. OBSERVING：observer角色；

可以知道Zookeeper是通过自身的状态来区分自己所属的角色，来执行自己应该的任务。

• ZAB状态
  Zookeeper还给ZAB定义的4中状态，反应Zookeeper从选举到对外提供服务的过程中的四个步骤。
  状态枚举定义：

    public enum ZabState {
        ELECTION,
        DISCOVERY,
        SYNCHRONIZATION,
        BROADCAST
    }

1. ELECTION: 集群进入选举状态，此过程会选出一个节点作为leader角色；
2. DISCOVERY：连接上leader，响应leader心跳，并且检测leader的角色是否更改，通过此步骤之后选举出的leader才能执行真正职务；
3. SYNCHRONIZATION：整个集群都确认leader之后，将会把leader的数据同步到各个节点，保证整个集群的数据一致性；
4. BROADCAST：过渡到广播状态，集群开始对外提供服务。

• ZXID
  Zxid是极为重要的概念，它是一个long型（64位）整数，分为两部分：纪元（epoch）部分和计数器（counter）部分，是一个全局有序的数字。epoch代表当前集群所属的哪个leader，leader的选举就类似一个朝代的更替，你前朝的剑不能斩本朝的官，用epoch代表当前命令的有效性，counter是一个递增的数字。

选举

基础概念介绍完了，下面开始介绍zab协议是怎么支持leader选举的。进行leader有三个问题，什么时候进行？选举规则？选择流程？下面我会一一解答这三个问题：

1. 选举发生的时机
   Leader发生选举有两个时机，一个是服务启动的时候当整个集群都没有leader节点会进入选举状态，如果leader已经存在就会告诉该节点leader的信息，自己连接上leader，整个集群不用进入选举状态。
   还有一个就是在服务运行中，可能会出现各种情况，服务宕机、断电、网络延迟很高的时候leader都不能再对外提供服务了，所有当其他节点通过心跳检测到leader失联之后，集群也会进入选举状态。
2. 选举规则
   进入投票选举流程，怎么才能选举出leader？或者说按照什么规则来让其他节点都能选举你当leader。
   zab协议是按照几个比较规则来进行投票的筛选，如果你的票比我更好，就修改自身的投票信息，改投你当leader。下面代码是zookeeper投票比较规则：

        /*
         * We return true if one of the following three cases hold:
         * 1- New epoch is higher
         * 2- New epoch is the same as current epoch, but new zxid is higher
         * 3- New epoch is the same as current epoch, new zxid is the same
         *  as current zxid, but server id is higher.
         */

        return ((newEpoch > curEpoch)
                || ((newEpoch == curEpoch)
                    && ((newZxid > curZxid)
                        || ((newZxid == curZxid)
                            && (newId > curId)))));

当其他节点的纪元比自身高投它，如果纪元相同比较自身的zxid的大小，选举zxid大的节点，这里的zxid代表节点所提交事务最大的id，zxid越大代表该节点的数据越完整。最后如果epoch和zxid都相等，则比较服务的serverId，这个Id是配置zookeeper集群所配置的，所以我们配置zookeeper集群的时候可以把服务性能更高的集群的serverId配置大些，让性能好的机器担任leader角色。

3. 选举流程

时机和规则都有了，下面就是leader的选举流程：

leader选举流程

• 所有节点第一票先选举自己当leader，将投票信息广播出去；
• 从队列中接受投票信息；
• 按照规则判断是否需要更改投票信息，将更改后的投票信息再次广播出去；
• 判断是否有超过一半的投票选举同一个节点，如果是选举结束根据投票结果设置自己的服务状态，选举结束，否则继续进入投票流程。

4. 举例
   
   服务选举

上图来自《ZooKeeper：分布式过程协同技术详解》，整体流程还是比较简单，这里就不具体分析了。

广播

集群在经过leader选举之后还会有连接leader和同步两个步骤，这里就不具体分析这两个步骤的流程了，主要介绍集群对外提供服务如何保证各个节点数据的一致性。

zab在广播状态中保证以下特征

• 可靠传递: 如果消息m由一台服务器传递，那么它最终将由所有服务器传递。
• 全局有序: 如果一个消息a在消息b之前被一台服务器交付，那么所有服务器都交付了a和b，并且a先于b。
• 因果有序: 如果消息a在因果上先于消息b并且二者都被交付，那么a必须排在b之前。

有序性是zab协议必须要保证的一个很重要的属性，因为zookeeper是以类似目录结构的数据结构存储数据的，必须要求命名的有序性。比如一个命名a创建路径为/test，然后命名b创建路径为/test/123，如果不能保证有序性b命名在a之前，b命令会因为父节点不存在而创建失败。

写入流程

如上图所示，整个写请求类似一个二阶段的提交。当收到客户端的写请求的时候会经历以下几个步骤：

1. Leader收到客户端的写请求，生成一个事务（Proposal），其中包含了zxid；
2. Leader开始广播该事务，需要注意的是所有节点的通讯都是由一个FIFO的队列维护的；
3. Follower接受到事务之后，将事务写入本地磁盘，写入成功之后返回Leader一个ACK；
4. Leader收到过半的ACK之后，开始提交本事务，并广播事务提交信息
5. 从节点开始提交本事务。

有以上流程可知，zookeeper通过二阶段提交来保证集群中数据的一致性，因为只需要收到过半的ACK就可以提交事务，所以zookeeper的数据并不是强一致性。zab协议的有序性保证是通过几个方面来体现的，第一是，服务之前用TCP协议进行通讯，保证在网络传输中的有序性；第二，节点之前都维护了一个FIFO的队列，保证全局有序性；第三，通过全局递增的zxid保证因果有序性。

状态流转

前面介绍了zookeeper服务状态有四种，ZAB状态也有四种。这里就简单介绍一个他们之间的状态流转，更能加深对zab协议在zookeeper工作流程中的作用。

服务状态扭转

1. 服务在启动或者和leader失联之后服务状态转为LOOKING；
2. 如果leader不存在选举leader，如果存在直接连接leader，此时zab协议状态为ELECTION；
3. 如果有超过半数的投票选择同一台server，则leader选举结束，被选举为leader的server服务状态为LEADING，其他server服务状态为FOLLOWING/OBSERVING；
4. 所有server连接上leader，此时zab协议状态为DISCOVERY；
5. leader同步数据给learner，使各个从节点数据和leader保持一致，此时zab协议状态为SYNCHRONIZATION；
6. 同步超过一半的server之后，集群对外提供服务，此时zab状态为BROADCAST。

可以知道整个zookeeper服务的工作流程类似一个状态机的转换，而zab协议就是驱动服务状态流转的关键，理解了zab就理解了zookeeper工作的关键原理

总结

本文对zab协议在zookeeper的工作流程中做了简单的介绍，希望对大家理解学习zookeeper有所帮助。

参考

《ZooKeeper：分布式过程协同技术详解》
《Zab: A simple totally ordered broadcast protocol》