十分钟了解ZAB（Zookeeper Atomic Broadcast）协议

Posted 2021-04-13 owenzhang

Zookeeper基于ZAB（Zookeeper Atomic Broadcast），实现了主备模式下的系统架构，保持集群中各个副本之间的数据一致性。

ZAB协议定义了选举（election）、发现（discovery）、同步（sync）、广播(Broadcast)四个阶段。

选举（election）是选出哪台为主机； 发现（discovery）、同步（sync）当主选出后，要做的恢复数据的阶段；

广播(Broadcast)当主机和从选出并同步好数据后，正常的主写同步从写数据的阶段。

下面简单地介绍下ZAB协议，目的是能够快速了解其精髓，快速掌握ZAB协议。然后通过论文了解具体协议的细节。主要介绍选举和广播两个阶段。

基本概念

我们了解下zk的一些基本概念。

zk集群有三种角色：

• leader 就是我们说的主；

• follower 就是我们说的从；

• observer 可以认为是主的clone copy，不参与投票，本文可忽略；

zk集群的一个节点，有三种状态：

• looking 选举状态，当前群龙无首；

• leading leader才有的状态；

• following follower才有的状态；

每次写成功的消息，都有一个全局唯一的标识，叫zxid。是64bit的正整数，高32为叫epoch表示选举纪元，低32位是自增的id，每写一次加一。 可以想象为中国古代的年号，例如万历十五年，万历是epoch，十五年是id。

zk集群一般都是奇数个机器（2n+1）,只有一个主机leader，其余都是从机follower。选主还是写数据，要有>=n+1台选举相同，才能执行选举的操作。

投票优先级：优先比较zxid，如果相等，再比较机器的id，都按从大到小的顺序。

选举

当集群新建，或者主机死机，或者主机与一半或以上的从机失去联系后，都会触发选择新的主机操作。有两种算法 fast paxos和 basic paxos。

fast paxos

默认ZAB采用的算法是fast paxos算法。

每次选举都要把选举轮数加一，类似于zxid里的epoch字段，防止不同轮次的选举互相干扰。

每个进入looking状态的节点，最开始投票给自己，然后把投票消息发给其它机器。内容为<第几轮投票，被投节点的zxid，被投节点的编号>。

其他looking状态的节点收到后，

1 首先判断票是否有效。 是否有效的方法为看票的投票轮数和本地记载的投票轮数是否相等：

2.1 如果比本地投票轮数的小，丢弃。

2.2 如果比本地投票轮数的大

 
   
   
 

  
    
    
  
证明自己投票过期了，清空本地投票信息，
  
    
    
  
更新投票轮数和结果为收到的内容。
  
    
    
  
通知其他所有节点新的投票方案。
 
   
   
 

2.3 如果和本地投票轮数相等，按照投票的优先级比较收到的选票和自己投出去的选票。

 
   
   
 

  
    
    
  
2.3.1 如果收到的优先级大，
  
    
    
  
更新自己的投票为对方发过来投票方案，把投票发出去。
  
    
    
  

  
    
    
  
2.3.2 如果收到的优先级小，则忽略该投票。
  
    
    
  

  
    
    
  
2.3.3 如果收到的优先级相等，
  
    
    
  
则更新对应节点的投票。
 
   
   
 

3 每收集到一个投票后，查看已经收到的投票结果记录列表，看是否有节点能够达到一半以上的投票数。如果有达到，则终止投票，宣布选举结束，更新自身状态。然后进行发现和同步阶段。 否则继续收集投票。

basic paxos

1 每个looking节点先发出请求，询问其他节点的投票。

其他节点返回自己的投票 < zk的id，zxid >。第一次都投自己。

2 收到结果后，如果收到的投票比自己投票的zxid大，更新自己的投票。

3 当收到所有节点返回后，统计投票，有一个节点的选举达到一半以上，则选举成功。 否则继续开始下一轮询问，直到选择出leader结束。

basic paxos和fast paxos区别

这里fast是主动推送出，只要结果有更新，就马上同步给其他节点。其他节点可能还没把自己的票通知给所有节点，就发现自己投的票优先级低，要更新投票，然后更新再重新通知给所有节点。

basic则要每一节点都询问完，才能知道新结果，然后再去问其他节点新的选举结果。

fast比basic快的地方，是一个节点，不用和每个节点都交换投票信息后，才能知道自己的票是否要更新。会减少交互次数。

广播——主从同步

主从同步数据比较简单， 当有写操作时，如果是从机接收，会转到主机。做一次转发，保证写都是在主机上进行。

主先提议事务，收到过半回复后，再发提交。 主收到写操作时，先本地生成事务为事务生成zxid，然后发给所有follower节点。 当follower收到事务时，先把提议事务的日志写到本地磁盘，成功后返回给leader。 leader收到过半反馈后对事务提交。再通知所有的follower提交事务，follower收到后也提交事务，提交后就可以对客户端进行分发了。

总结

通过只有主控制写然后同步从，保证了生成全局zxid不冲突。全局唯一的zxid能够给选举和同步数据区分出优先级。 选举主部分了解fast paxos原理即可。 核心思想是递增的zxid顺序，保证了能够有优先级最高的节点当主。主从同步通过提议和提交两个阶段，有超过一半的节点写成功，则认为数据写成功。

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