深入理解Zookeeper的ZAB协议

Posted 2023-03-11 可乐manman

ZAB是什么

ZAB（Zookeeper Atomic Broadcast）：Zookeeper原子广播
ZAB是为了保证Zookeeper数据一致性而产生的算法（指的是Zookeeper集群模式）。它不仅能解决正常情况下的数据一致性问题，还可以保证主节点发生宕机后的数据一致性问题。

Zookeeper集群模式

Zookeeper集群模式为"主从复制"模型，即有一个主节点，其他的都为从节点。主、从节点在数据读写场景下满足以下三条规则：
1. 所有的数据更新操作都只能由主节点完成；
2. 主节点更新完数据后，将副本发送给从节点进行更新；
3. 任何从节点都可进行数据的读操作。

图1 Zookeeper主从复制模型图

由图1可得，Zookeeper有两种节点。
1. 主节点：也称Leader
2. 从节点：也称Follower

Zookeeper启动时选取Leader

讲选举前先讲一下Zookeeper的数据存储结构，对理解下文有前置知识印象。

图2 Zookeeper数据存储结构

由图2可得，Zookeeper的数据存储结构是一棵树，更准确地说：底层使用文件目录格式对数据进行存储，同时Zookeeper将这种存储数据的节点称为Znode。
Znode包含图中所指的四个部分：
1. data：存储数据
2. child：存储所有的子节点引用
3. ACL：存储访问权限（例如哪些IP可以访问该节点）
4. stat：存储元数据（SID、ZXID【epoch+counter】等）

SID、ZXID在选举Leader中起决定性作用，因此我详细解释一下它们是什么！
SID：Zookeeper节点的标识符（节点指的是服务器，不是上面的Znode），相当于数据库表的唯一ID；
ZXID：最新事务标识符，值越大说明数据越新。它由两部分组成：
epoch：指当前leader为第 $epoch 任
counter：每交互一条proposal，counter值就会+1（proposal可以理解成更新操作）

图3 初始的Zookeeper节点

由图3可得，初始Zookeeper集群有3个服务节点，选举Leader过程如下：
（Leader选举优先级：epoch>counter>SID）
1. 节点与集群中的各个节点进行拉票操作（此时节点处于Looking状态）
2. 投票以SID值大小为标准，每个节点都会投票给SID最大的那个
3. 当服务节点获得的票数超过集群节点数一半时，Leader产生（Leader节点状态变为Leading、Follower节点状态变为Following）

自此，Leader的选举过程就结束了，后面新加入的节点也只能作为Follower节点，不会再次进行Leader选举，除非Leader出现意外！

Zookeeper故障时选举Leader

上一章了解了启动时Leader的选举过程。那么，当集群中Leader出现问题时，又该如何选举新的Leader呢？

讲选举新的Leader之前，什么时候触发选举？
1. 心跳检测：Leader会周期性的给每个Follower发送心跳机制。同时，Follower在收到Leader心跳检测信息时，会给予Leader一个回复。如果Leader此时收到的恢复少于集群节点的一半，此时则会触发新的Leader选举（为什么是少于一半就会触发？因为成为Leader必须满足赞成票为集群节点的一半以上。少于一半有理由怀疑那些不回应的节点是不是重新拉帮派，然后选举了一个新的Leader）。
2. proposal检测：客户端发出的数据更新操作都会给到Leader去执行，Leader更新数据且写入本地日志后，会发送proposal给Follower（其实就是数据副本，叫Follower节点也更新数据），Follower收到后，会发送ACK给到Leader，表示已经更新副本数据。Leader节点收到ACK报文超过集群节点一半时，会通知Follower将proposal状态改为commit状态；如果收到ACK报文少于集群节点一半，会触发新的Leader选举。

图4为正常情况下的proposal阶段
图5为ACK回复报文少于集群节点一半的proposal阶段

图4 正常的集群proposal阶段

图5 非正常ACK情况下的集群proposal阶段

了解了何时触发新的Leader选举之后，接下来就是如何选举新的Leader过程。
（Leader选举优先级：epoch>counter>SID）
1. 集群中每个节点的epoch都是相同的，因此比较counter值，发现SID-0最大，所以SID当选新的Leader，新Leader产生后，会将epoch+1，然后通知每个Follower也进行epoch更新（选举/发现阶段）
2. 此时存在未提交的proposal，SID-0解决前任Leader遗留下来的proposal工作（数据同步阶段）
3. 当收到正常的ACK报文少于集群节点数一半时，继续1、2阶段；反之Leader则进入监听客户端更新操作（广播阶段）。

ZAB三阶段解决故障Leader选举：选举/发现、同步、广播

图6 Leader来不及发送proposal宕机了图

图7 新Leader丢弃未得到的proposal图

上面提到的是前任Leader将proposal发给了一个Follower，如果Leader在收到客户端的更新操作，更新本地数据且写入日志后，宕机了。新的Leader又该如何解决这个问题呢？

ZAB数据同步规则：新的Leader需先解决上一任Leader遗留下来的proposal，才可进行新的数据更新。
然而新的Leader并未收到上一任Leader输送过来的proposal，因此会通知上一任Leader将proposal进行回滚。然后才可以处理新的proposal。

总结

1. ZAB保证了Zookeeper集群环境下的数据同步问题。
2. 当Leader出现问题时，通过三阶段（选举/发现、同步、广播）恢复集群。
3. 故障时选举新Leader的数据同步问题：
3.1上一任Leader发出proposal，但是不满足ACK数量条件。新Leader应该重新向集群中的Follower发送给proposal到commit阶段，才可以进行新的客户端更新操作；
3.2 上一任Leader未发出proposal，只在本地做了数据更新。新Leader通知上一任Leader丢弃该proposal，然后进行新的客户端更新操作。

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