zookeeper-ZAB协议

消息广播

ZAB 协议的消息广播过程使用的是一个原子广播协议，类似一个 二阶段提交过程。对于客户端发送的写请求，全部由 Leader 接收，Leader 将请求封装成一个事务 Proposal，将其发送给所有 Follwer ，然后，根据所有 Follwer 的反馈，如果超过半数成功响应，则执行 commit 操作。

• 以上的流程可以保证数据的最终一致性。
• 一些细节的处理：
  • Leader 在收到客户端请求之后，会将这个请求封装成一个事务，并给这个事务分配一个全局递增的唯一 ID，称为事务ID（ZXID），ZAB 协议需要保证事务的顺序，因此必须将每一个事务按照 ZXID 进行先后排序然后处理，主要通过消息队列实现。
  • 在 Leader 和 Follwer 之间还有一个消息队列，用来解耦他们之间的耦合，解除同步阻塞。
  • zookeeper集群中为保证任何所有进程能够有序的顺序执行，只能是 Leader 服务器接受写请求，即使是 Follower 服务器接受到客户端的写请求，也会转发到 Leader 服务器进行处理，Follower只能处理读请求。
  • ZAB协议规定了如果一个事务在一台机器上被处理(commit)成功，那么应该在所有的机器上都被处理成功，哪怕机器出现故障崩溃。
  • 因为leader写自己内存数据是在其他过半的服务器已经完成写本地数据文件，也就是说，即使现在这个时候服务器宕机，其他follower 重新选leader的时候是利用Zxid大的，也就是数据比较新的成为leader那么重新同步的时候，会保证数据没有丢失。

崩溃恢复

刚刚我们说消息广播过程中，Leader 崩溃怎么办？还能保证数据一致吗？如果 Leader 先本地提交了，然后 commit 请求没有发送出去，怎么办？
实际上，当 Leader 崩溃，即进入我们开头所说的崩溃恢复模式（崩溃即：Leader 失去与过半 Follwer 的联系）。下面来详细讲述。

• 假设1：Leader 在复制数据给所有 Follwer 之后，还没来得及收到Follower的ack返回就崩溃，怎么办？
• 假设2：Leader 在收到 ack 并提交了自己，同时发送了部分 commit 出去之后崩溃怎么办？

针对这些问题，ZAB 定义了 2 个原则：

• ZAB 协议确保丢弃那些只在 Leader 提出/复制，但没有提交的事务。
• ZAB 协议确保那些已经在 Leader 提交的事务最终会被所有服务器提交。

所以，ZAB 设计了下面这样一个选举算法：

• 能够确保提交已经被 Leader 提交的事务，同时丢弃已经被跳过的事务。
  针对这个要求，如果让 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 ZXID 最大的事务，那么就能够保证这个新选举出来的 Leader 一定具有所有已经提交的提案。
  而且这么做有一个好处是：可以省去 Leader 服务器检查事务的提交和丢弃工作的这一步操作。

数据同步

当崩溃恢复之后，需要在正式工作之前（接收客户端请求），Leader 服务器首先确认事务是否都已经被过半的 Follwer 提交了，即是否完成了数据同步。目的是为了保持数据一致。
当 Follwer 服务器成功同步之后，Leader 会将这些服务器加入到可用服务器列表中。
实际上，Leader 服务器处理或丢弃事务都是依赖着 ZXID 的，那么这个 ZXID 如何生成呢？

• 答：在 ZAB 协议的事务编号 ZXID 设计中，ZXID 是一个 64 位的数字，其中低 32 位可以看作是一个简单的递增的计数器，针对客户端的每一个事务请求，Leader 都会产生一个新的事务 Proposal 并对该计数器进行 + 1 操作。
  而高 32 位则代表了 Leader 服务器上取出本地日志中最大事务 Proposal 的 ZXID，并从该 ZXID 中解析出对应的 epoch 值(leader选举周期)，当一轮新的选举结束后，会对这个值加一，并且事务id又从0开始自增。
  高 32 位代表了每代 Leader 的唯一性，低 32 代表了每代 Leader 中事务的唯一性。同时，也能让 Follwer 通过高 32 位识别不同的 Leader。简化了数据恢复流程。
  基于这样的策略：当 Follower 连接上 Leader 之后，Leader 服务器会根据自己服务器上最后被提交的 ZXID 和 Follower 上的 ZXID 进行比对，比对结果要么回滚，要么和 Leader 同步。