說一下Zookeeper的ZAB協(xié)議？不好意思我肚子疼！
本文轉載自微信公眾號「 三太子敖丙」，轉載本文請聯(lián)系 三太子敖丙公眾號。
前言
Zab(Zookeeper Atomic Broadcast)是為ZooKeeper協(xié)設計的崩潰恢復原子廣播協(xié)議，它保證zookeeper集群數(shù)據(jù)的一致性和命令的全局有序性。
概念介紹
在介紹zab協(xié)議之前首先要知道zookeeper相關的幾個概念，才能更好的了解zab協(xié)議。
- 集群角色
- Leader：同一時間集群總只允許有一個Leader，提供對客戶端的讀寫功能，負責將數(shù)據(jù)同步至各個節(jié)點;
- Follower：提供對客戶端讀功能，寫請求則轉發(fā)給Leader處理，當Leader崩潰失聯(lián)之后參與Leader選舉;
- Observer：與Follower不同的是但不參與Leader選舉。
- 服務狀態(tài)
- LOOKING：當節(jié)點認為群集中沒有Leader，服務器會進入LOOKING狀態(tài)，目的是為了查找或者選舉Leader;
- FOLLOWING：follower角色;
- LEADING：leader角色;
- OBSERVING：observer角色;
可以知道Zookeeper是通過自身的狀態(tài)來區(qū)分自己所屬的角色，來執(zhí)行自己應該的任務。
- ZAB狀態(tài)Zookeeper還給ZAB定義的4中狀態(tài)，反應Zookeeper從選舉到對外提供服務的過程中的四個步驟。狀態(tài)枚舉定義：
- public enum ZabState {
- ELECTION,
- DISCOVERY,
- SYNCHRONIZATION,
- BROADCAST
- }
- ELECTION: 集群進入選舉狀態(tài)，此過程會選出一個節(jié)點作為leader角色;
- DISCOVERY：連接上leader，響應leader心跳，并且檢測leader的角色是否更改，通過此步驟之后選舉出的leader才能執(zhí)行真正職務;
- SYNCHRONIZATION：整個集群都確認leader之后，將會把leader的數(shù)據(jù)同步到各個節(jié)點，保證整個集群的數(shù)據(jù)一致性;
- BROADCAST：過渡到廣播狀態(tài)，集群開始對外提供服務。
- ZXID
Zxid是極為重要的概念，它是一個long型(64位)整數(shù)，分為兩部分：紀元(epoch)部分和計數(shù)器(counter)部分，是一個全局有序的數(shù)字。
epoch代表當前集群所屬的哪個leader，leader的選舉就類似一個朝代的更替，你前朝的劍不能斬本朝的官，用epoch代表當前命令的有效性，counter是一個遞增的數(shù)字。
選舉
基礎概念介紹完了，下面開始介紹zab協(xié)議是怎么支持leader選舉的。
進行l(wèi)eader有三個問題，什么時候進行?選舉規(guī)則?選擇流程?
下面我會一一解答這三個問題：
1.選舉發(fā)生的時機Leader發(fā)生選舉有兩個時機，一個是服務啟動的時候當整個集群都沒有l(wèi)eader節(jié)點會進入選舉狀態(tài)，如果leader已經(jīng)存在就會告訴該節(jié)點leader的信息，自己連接上leader，整個集群不用進入選舉狀態(tài)。
還有一個就是在服務運行中，可能會出現(xiàn)各種情況，服務宕機、斷電、網(wǎng)絡延遲很高的時候leader都不能再對外提供服務了，所有當其他幾點通過心跳檢測到leader失聯(lián)之后，集群也會進入選舉狀態(tài)。
2.選舉規(guī)則進入投票選舉流程，怎么才能選舉出leader?或者說按照什么規(guī)則來讓其他節(jié)點都能選舉你當leader。
3.zab協(xié)議是按照幾個比較規(guī)則來進行投票的篩選，如果你的票比我更好，就修改自身的投票信息，改投你當leader。
下面代碼是zookeeper投票比較規(guī)則：
- /*
- * 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)))));
當其他節(jié)點的紀元比自身高投它，如果紀元相同比較自身的zxid的大小，選舉zxid大的節(jié)點，這里的zxid代表節(jié)點所提交事務最大的id，zxid越大代表該節(jié)點的數(shù)據(jù)越完整。
最后如果epoch和zxid都相等，則比較服務的serverId，這個Id是配置zookeeper集群所配置的，所以我們配置zookeeper集群的時候可以把服務性能更高的集群的serverId配置大些，讓性能好的機器擔任leader角色。
選舉流程
時機和規(guī)則都有了，下面就是leader的選舉流程：
- 所有節(jié)點第一票先選舉自己當leader，將投票信息廣播出去;
- 從隊列中接受投票信息;
- 按照規(guī)則判斷是否需要更改投票信息，將更改后的投票信息再次廣播出去;
- 判斷是否有超過一半的投票選舉同一個節(jié)點，如果是選舉結束根據(jù)投票結果設置自己的服務狀態(tài)，選舉結束，否則繼續(xù)進入投票流程。
舉例
上圖來自《ZooKeeper：分布式過程協(xié)同技術詳解》，整體流程還是比較簡單，這里就不具體分析了。
廣播
集群在經(jīng)過leader選舉之后還會有連接leader和同步兩個步驟，這里就不具體分析這兩個步驟的流程了，主要介紹集群對外提供服務如何保證各個節(jié)點數(shù)據(jù)的一致性。
zab在廣播狀態(tài)中保證以下特征
- 可靠傳遞: 如果消息m由一臺服務器傳遞，那么它最終將由所有服務器傳遞。
- 全局有序: 如果一個消息a在消息b之前被一臺服務器交付，那么所有服務器都交付了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必須排在b之前。
有序性是zab協(xié)議必須要保證的一個很重要的屬性，因為zookeeper是以類似目錄結構的數(shù)據(jù)結構存儲數(shù)據(jù)的，必須要求命名的有序性。
比如一個命名a創(chuàng)建路徑為/test，然后命名b創(chuàng)建路徑為/test/123，如果不能保證有序性b命名在a之前，b命令會因為父節(jié)點不存在而創(chuàng)建失敗。
如上圖所示，整個寫請求類似一個二階段的提交。
當收到客戶端的寫請求的時候會經(jīng)歷以下幾個步驟：
- Leader收到客戶端的寫請求，生成一個事務(Proposal)，其中包含了zxid;
- Leader開始廣播該事務，需要注意的是所有節(jié)點的通訊都是由一個FIFO的隊列維護的;
- Follower接受到事務之后，將事務寫入本地磁盤，寫入成功之后返回Leader一個ACK;
- Leader收到過半的ACK之后，開始提交本事務，并廣播事務提交信息
- 從節(jié)點開始提交本事務。
有以上流程可知，zookeeper通過二階段提交來保證集群中數(shù)據(jù)的一致性，因為只需要收到過半的ACK就可以提交事務，所以zookeeper的數(shù)據(jù)并不是強一致性。
zab協(xié)議的有序性保證是通過幾個方面來體現(xiàn)的，第一是，服務之前用TCP協(xié)議進行通訊，保證在網(wǎng)絡傳輸中的有序性;第二，節(jié)點之前都維護了一個FIFO的隊列，保證全局有序性;第三，通過全局遞增的zxid保證因果有序性。
狀態(tài)流轉
前面介紹了zookeeper服務狀態(tài)有四種，ZAB狀態(tài)也有四種。這里就簡單介紹一個他們之間的狀態(tài)流轉，更能加深對zab協(xié)議在zookeeper工作流程中的作用。
- 服務在啟動或者和leader失聯(lián)之后服務狀態(tài)轉為LOOKING;
- 如果leader不存在選舉leader，如果存在直接連接leader，此時zab協(xié)議狀態(tài)為ELECTION;
- 如果有超過半數(shù)的投票選擇同一臺server，則leader選舉結束，被選舉為leader的server服務狀態(tài)為LEADING，其他server服務狀態(tài)為FOLLOWING/OBSERVING;
- 所有server連接上leader，此時zab協(xié)議狀態(tài)為DISCOVERY;
- leader同步數(shù)據(jù)給learner，使各個從節(jié)點數(shù)據(jù)和leader保持一致，此時zab協(xié)議狀態(tài)為SYNCHRONIZATION;
- 同步超過一半的server之后，集群對外提供服務，此時zab狀態(tài)為BROADCAST。
可以知道整個zookeeper服務的工作流程類似一個狀態(tài)機的轉換，而zab協(xié)議就是驅動服務狀態(tài)流轉的關鍵，理解了zab就理解了zookeeper工作的關鍵原理
總結
本文對zab協(xié)議在zookeeper的工作流程中做了簡單的介紹，希望對大家理解學習zookeeper有所幫助。
我是敖丙，一個在互聯(lián)網(wǎng)茍且偷生的工具人。
