从Paxos到Zookeeper（三）

本文主要是介绍从Paxos到Zookeeper（三），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

前言

前面已经介绍了Paxos，这章开始学习Paxos在Zookeeper中的应用，主要介绍ZAB协议，Chubby和Hypertable估计也接触不到，这里先简单介绍下Zookeeper。

1、Zookeeper简介

相信大部分从事分布式开发项目的人都有过使用经验，其设计目标是将那些复杂且容易出错的分布式服务封装起来，构成一个高效可靠的原语集，并以一系列简单易用的接口提供给用户使用，分布式应用程序可以基于它实现诸如数据发布/订阅、负载均衡、命名服务、分布式协调/通知、集群管理、Master选举、分布式锁和分布式队列等功能，可以保证如下分布式一致性：顺序一致性、原子性、单一视图、可靠性以及实时性等特点，其设计目标包括以下四点（一句话总结）：

简单的数据模型：通过一个共享的、树型结构的名字空间来进行相互协调；
可以构建集群：集群中每台机器之间保持通信，当超过一半节点正常工作时，则能正常对外提供服务；
顺序访问：通过一个递增的全局唯一的编号，来反映所有事务操作的先后顺序；
高性能：将全量数据存储在内存中，并直接服务于客户端的所有非事务请求；

这里多讲一点：为什么选择Zookeeper？在第一章中讲过，随着分布式架构的出现，分布式系统的最大痛点--数据一致性问题也随之出现，然后直到现在，除了Zookeeper，还没有一个稳定成熟且被大规模应用的解决方案，无论从易用性、性能还是稳定性上来说，Zookeeper都是不二之选。

2、ZAB协议

Zookeeper并没有完全采用Paxos，采用的是Zookeeper Atomic Broadcast（ZAB）协议作为其数据一致性的核心算法，ZAB协议是为分布式协调服务Zookeeper专门设计的一种支持奔溃恢复的原子广播协议。

2.1 协议介绍

ZAB采用主备架构，保证同一时刻集群中只能够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，考虑到在分布式环境中，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，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，那么所有其依赖状态变更都应该被提前处理掉了，，另外ZAB协议还需要能够做到主进程异常时，依旧能够正常工作。

在ZAB中，所有的事务请求必须由一个全局唯一的服务器来协调处理，这样的服务器被称作Leader服务器，而余下的称作Follower服务器，Leader将一个客户端事务请求转换为一个事务Proposal（提议），并将该Proposal分发给集群中所有的Follower服务器，然后等待半数以上Follower正常反馈后，再发送Commit消息，要求将前一个Proposal进行提交。

2.2 两种模式

ZAB包括奔溃恢复和消息广播两种模式，当Leader服务器出现网络中断、奔溃或重启等异常情况时，ZAB就会进入恢复模式选举新的Leader，当集群中已经有过半的机器与该Leader服务器完成了数据同步后，ZAB就会退出恢复模式；当集群中有一半节点正常可用时，那么集群就会进入消息广播模式，这里值得注意的是，当一台新的服务器加入集群后，它应该自觉进入数据恢复模式，然后再参与到消息广播模式中去，该节点在进入数据恢复模式后，第一件事应该是找到Leader节点，并与其进行数据同步，第二章中已经介绍过，Leader服务器是唯一的，因此，所有的事务处理应该交给该节点唯一处理，而非Leader节点收到请求后，首先也应该转发给Leader节点。

消息广播

ZAB协议的消息广播过程使用的是一个原子广播协议，类似于一个二阶段提交过程，leader根据客户端的事务请求生成proposal，并发送给其余所有的机器，然后再分别收集各自的选票，半数通过以后再进行事务提交，ZAB相对于Paxos在二阶段提交中移除了中断逻辑，这就意味着，不需要等到所有节点都完成反馈，就会开始进行事务提交（即超过半数就进行二阶段提交），可以想象，如果此时集群奔溃，就会带来数据不一致的问题，因此ZAB新增了奔溃恢复模式来保证数据一致性。消息广播协议严格遵循FIFO特性的TCP协议以保证消息接收与发送的顺序性，在事务广播之前会为proposal分配一个全局单调递增的ZXID，按照ZXID的先后顺序来处理。

奔溃恢复

前面已经提到奔溃可能带来的数据不一致的影响，一旦leader发生奔溃（因为leader只有一个），或者leader与过半的节点断联，便需要重新选举leader，ZAB协议需要保证快速的选举出新的leader，同时还需要让集群中的其他节点能够快速感知到新的leader已经产生。通过介绍可能出现的两个数据不一致的隐患来介绍ZAB的解决方案。

ZAB需要保证Leader服务器上提交的时候最终被所有节点提交：假设一个事务在Leader上提交了，并且已经得到了过半Follower的反馈，但是在Leader将该事务的Commit请求发送给所有节点之前宕机了，这时，必须确保该事务被所有Follower节点提交成功，否则将出现不一致的情况；
ZAB协议需要确保丢弃那些只在Leader服务器上被提出的事务：如果在奔溃恢复过程中出现一个需要被丢弃的提案，那么在奔溃恢复结束后需要跳过该事务Proposal，比如Leader A在提交一个Proposal P1后就奔溃了，当奔溃恢复后，ZAB需要保证P1被丢弃；

以上两点要求ZAB必须能够确保提交已经被提交的事务，同时丢弃已经被跳过的事务。因此ZAB的Leader选举算法要求选出集群拥有最大ZXID的节点，这样就能保证这个新选举出来的Leader一定具有所有已经提交的提案，在选举完新的Leader后就要进行数据同步，保证所有的Follower节点与Leader节点达成数据一致后才能进行接下来的事务处理。