Zookeeper Atomic Broadcast(Zookeeper 原子广播协议)

什么是ZAB算法

Zab借鉴了Paxos算法(Multi Paxos)，是特别为Zookeeper设计的支持崩溃回复的原子广播协议。基于该协议，Zookeeper设计了为只有一台客户端(Leader)负责处理外部的写事务请求，然后Leader客户端将数据同步到其他Follower节点。即Zookeeper只有一个Leader可以发起提案。

ZAB协议内容

ZAB协议包括两种基本的模式：消息广播、崩溃恢复。

消息广播

image-20220722122448654

  1. 客户端发起一个写操作请求。
  2. Leader服务器将客户端的请求转化为事务Proposal提案，同时为每个Proposal分配一个全局ID，即zxid
  3. Leader服务器为每个Follower服务器分配一个单独的队列，然后将需要广播的Proposal依次放到队列中去，并且根据FIFO策略进行消息发送。
  4. Follower接受到Proposal后，会首先将起以事务日志的方式是写入本地磁盘中，写入成功后向Leader反馈一个Ack响应消息
  5. Leader接收到超过半数以上Follower的Ack响应消息后，即认为消息发送成功，可以发送commit消息
  6. Leader向所有Follower广播commit消息，同时自身也会完成事务提交。Follower接受到commit消息后，会将上一条事务提交
  7. Zookeeper采用Zab协议的核心，就是只要有一台服务器提交Proposal，就要确保所有服务器最终都能正确提交Proposal。

ZAB协议针对事务请求的处理过程类似于一个两阶段提交过程

  1. 广播事务阶段
  2. 广播提交阶段

这两个阶段提交模型如下，有可能因为Leader宕机带来数据不一致，比如

  1. Leader发起一个事务Proposal1后就宕机，Follower都没有Proposal1
  2. Leader收到半数ACK宕机，没来得及向Follower发送Commit

为了解决上述问题，ZAB引入了崩溃恢复模式。

崩溃恢复–异常假说

一旦Leader服务器出现崩溃或者由于网络原因导致Leader服务器失去了与过半Follower的联系，那么就会进入崩溃恢复模式。

image-20220722131218448

  1. 假设两种服务器异常情况
    1. 假设一个事务在Leader提出之后，Leader挂了。
    2. 一个事务在Leader上提交了，并且过半的Follower都响应Ack了，但是Leader在Commit消息发出之前挂了。
  2. Zab协议崩溃恢复要求满足以下两个要求：
    1. 确保已经被Leader提交的提案Proposal，必须最终被所有的Follower服务器提交。(已经产生的提案，Follower必须执行)
    2. 确保丢弃已经被Leader提出的但是没有被提交的Proposal。(丢弃胎死腹中的提案)

崩溃恢复–Leader选举

崩溃恢复主要包括两个部分：Leader选举和数据恢复

image-20220722131903208

Leader选举：根据上述要求，Zab协议需要保证选举出来的Leader需要满足以下条件：

  1. 新选举出来的Leader不能包括未提交的Proposal。即新Leader必须都是已经提交了Proposal的Follower服务器节点。
  2. 新选举的Leader节点中含有最大的zxid。这样做的好处是可以避免Leader服务器检查Proposal的提交和丢弃工作。(因为它自身的zxid最大所以它有着最新的操作记录，所以不需要去检查其他服务器的Proposal的提交和丢弃，他自己就可以知道)

崩溃恢复–数据恢复

崩溃恢复主要包括两个部分：Leader选举和数据恢复

image-20220722132241185

Zab如何数据同步：

  1. 完成Leader选举后，在正式开始工作之前（接收事务请求，然后提出新的Proposal），Leader服务器会首先确认事务日志中的所有Proposal是否已经被集群中过半的服务器Commit。（在正式工作之前需要将日志中的数据同步）
  2. Leader服务器需要确保所有的Follower服务器能够接收到每一条事务的Proposal，并且能将所有已经提交的事务Proposal应用到内存数据中。等到Follower将所有尚未同步的事务Proposal都从Leader服务器上同步过，并且应用到内容数据中以后，Leader次啊会把该Follower加入到真正可用的Follower列表中。