ZooKeeper系列：ZAB協定

一、ZAB協定的核心

    所有事務請求必須由一個全局唯一的伺服器來協調處理，這樣的伺服器被稱為 Leader 伺服器，而餘下的其他伺服器則成為 Follower 伺服器。 Leader伺服器負責将一個用戶端事務請求轉換成一個事務Proposal（提議），并将該Proposal分發給叢集中所有的Follower 伺服器。之後Leader伺服器需要等待所有Follower伺服器的回報，一旦超過半數的Follower伺服器進行了正确的回報後，那麼Leader就會再次向其他所有的伺服器分發Commit消息，要求其将前一個Proposal進行送出。

    這裡需要注意的是，如果是叢集中的非Leader伺服器收到了用戶端的事務請求，那麼會将這個請求轉發給Leader伺服器。

二、基本模式

    ZAB協定主要包含兩個基本模式：消息廣播和崩潰恢複。

1、消息廣播

    當叢集中過半伺服器和Leader完成了狀态同步後，ZAB協定就進入了消息廣播模式。

    ZAB協定通過原子廣播協定來實作消息的廣播過程。當Leader伺服器接收到用戶端的事務請求時，會為其生成對應的事務Proposal，并将Proposal發送給叢集中的其他機器。Follower收到Proposal後有兩個選擇：同意事務，或者抛棄Leader伺服器。當Leader伺服器收集到超過一半Follower的投票時，就會想所有的機器發送Commit指令，要求送出事務。

    當然，這裡有一些問題。如果Leader在發送完全部Commit指令前就發生了故障，這時候可能會導緻這次的資料更新産生不一緻的問題，因為可能有些伺服器上送出了事務，而有些伺服器沒收到事務送出的請求。zk通過使用崩潰恢複機制來解決這個問題。

    另外，消息廣播使用TCP協定進行通信。TCP協定FIFO的特性可以保證消息廣播過程中消息接收預發送的順序性。

    對于廣播事務Proposal，Leader伺服器會為每個事務請求都配置設定一個全局唯一、且單調遞增的事務id（ZXID）。

    消息廣播過程中，Leader 伺服器會為每一個Follower伺服器都各自配置設定一個單獨的隊列，然後将需要廣播的事務Proposal依次放入這些隊列中，根據FIFO政策進行消息發送。每一個 FolIower伺服器在接收到這個事務Proposal之後，都會首先将其以事務日志的形式寫入到本地磁盤中去，并且在成功寫入後回報給Leader伺服器一個Ack響應。當Leader伺服器接收到超過半數Follower的Ack響應後，就會廣播一個Commit消息給所有的Follower伺服器以通知其進行事務送出，同時Leader自身也會完成對事務的送出，而每一個Follower伺服器在接收到Commit消息後，也會完成對事務的送出。

2、崩潰恢複

    在叢集啟動，或者Leader伺服器出現網絡中斷、崩潰退出、重新開機等異常情況，導緻Leader伺服器不能和過半伺服器取得聯系的時候，ZAB協定會進入恢複模式，并選舉産生新的Leader伺服器。新Leader産生并且叢集中過半的機器完成狀态同步後，ZAB協定退出恢複模式。其中，狀态同步就是資料同步。

    在消息廣播狀态，如果一台新的伺服器加入叢集，或者失聯的機器恢複連接配接後，該機器會自動進入恢複模式，去尋找Leader伺服器并進行狀态同步，然後退出恢複模式進入消息廣播的狀态。

    崩潰恢複的核心的高效可靠的Leader選舉算法：一方面，要讓Leader伺服器自身快速認識到自身已經成為新的Leader；另一方面，還要讓叢集中的其他機器快速感覺到新的Leader伺服器。

1、基本特性

    1）ZAB協定確定在Leader伺服器上送出的事務，最終要被全部伺服器都送出；

    2）ZAB協定確定丢棄隻在Leader伺服器上被送出的事務。

    這兩條基本特性的保證，ZAB協定是通過ZXID（事務編号）來進行保證的。ZAB的Leader選舉算法保證，新選舉出來的Leader伺服器擁有最高的ZXID，這樣，這個新的Leader伺服器一定擁有所有已送出的事務。同時，這也能省去新Leader檢查事務送出和丢棄的過程，隻需要要求其他伺服器同步自己的狀态即可。

2、資料同步

    Leader選舉完成後，首先會确認資料同步是否完成。資料同步完成的标志，是事務日志中所有的事務，都被一半以上的Follower送出了。

    ZXID是一個64位的數字。低32位是針對用戶端的每一個事務請求的編号，Leader伺服器每産生新的事務Proposal，都會對該計數器加1；高32位則代表了Leader周期epoch的編号，每當選舉産生新的Leader，就會将Leader伺服器本地日志中最大事務的ZXID的epoch加1，并将低32位置0來生成新的ZXID。

    基于上述政策，當一個新機器加入叢集，或者崩潰叢集恢複連接配接，如果叢集中包含以前周期中的未送出事務，這些事務就會被丢棄；同時，周期落後的機器的ZXID肯定比周期更先進的機器要小，也就不會在選舉中成為新的leader。