• ZAB协议


    ZAB协议
    ZooKeeper是Chubby的开源实现,而Chubby是Paxos的工程实现,所以很多人以为ZooKeeper也是Paxos算法的工程实现。事实上,ZooKeeper并没有完全采用Paxos算法,而是使用了一种称为ZooKeeper Atomic Broadcast(ZAB,ZooKeeper原子广播协议)的协议作为其数据一致性的核心算法。

    ZAB协议并不像Paxos算法和Raft协议一样,是通用的分布式一致性算法,它是一种特别为ZooKeeper设计的崩溃可恢复的原子广播算法。

    基于ZAB协议,ZooKeeper实现了一种主备模式(Leader、Follower)的系统架构来保持集群中各副本之间数据的一致性。

    具体的,ZooKeeper使用了一个单一的主进程(Leader)来接收并处理客户端的所有事务请求,并采用ZAB的原子广播协议,将服务器数据的状态变更以事务Proposal的形式广播到所有的副本进程上去(Follower)。ZAB协议的这个主备模型架构保证了同一时刻集群中只能有一个主进程来广播服务器的状态变更,因此能够很好地处理客户端大量的并发请求。另一方面,考虑到分布式环境中,顺序执行的一些状态变更其前后会存在一定的依赖关系,有些状态变更必须依赖于比它早生成的那些状态变更,例如变更C需要依赖变更A和变更B。这样的依赖关系也对ZAB协议提出了一个要求:ZAB协议必须能够保证一个全局的变更序列被顺序应用。也就是说,ZAB协议需要保证如果一个状态变更已经被处理了,那么所有依赖的状态变更都应该已经被提前处理掉了。最后,考虑到主进程在任何时候都有可能出现崩溃退出或重启现象,因此,ZAB协议还需要做到在当前主进程出现上述异常情况的时候,依然能够正常工作。

    ZAB协议的核心是定义了对应那些会改变ZooKeeper服务器数据状态的事务请求的处理方式,即:
    所有事务请求必须由一个全局唯一的服务器来协调处理,这样的服务器被称为Leader服务器,而剩下的其他服务器则成为Follower服务器(当然还有Observer)。Leader服务器负责将一个客户端事务请求转换成一个事务Proposal(提案)并将该Proposal分发给集群中所有的Follower服务器。之后Leader服务器需要等待所有Follower服务器的反馈,一旦超过半数的Follower服务器进行了正确的反馈后,Leader就会再次向所有的Follower服务器分发Commit消息,要求对刚才的Proposal进行提交。

    ZAB协议包括两种基本的模式:崩溃恢复和消息广播。

    在整个ZooKeeper集群启动过程中,或是当Leader服务器出现网络中断、崩溃退出与重启等异常情况时,ZAB协议就会进入恢复模式并选举产生新的Leader服务器。当选举产生了新的Leader服务器,同时集群中有过半的机器与该Leader服务器完成了状态同步之后,ZAB协议就会退出恢复模式。其中,状态同步是指数据同步,用来保证集群中存在过半的机器能够和Leader服务器的数据状态保持一致。
    崩溃恢复模式包括两个阶段:Leader选举和数据同步。
    当集群中有过半的Follower服务器完成了和Leader服务器的状态同步,那么整个集群就可以进入消息广播模式了。

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