ZAB 协议

ZAB（ZooKeeper Atomic Broadcast，ZooKeeper 原子广播）是 ZooKeeper 的原子广播协议，用于保证 ZooKeeper 集群的一致性。ZAB 类似 Raft，有领导者选举和消息广播两个阶段。

ZAB 的背景

ZooKeeper 是 Apache 的分布式协调服务，用于分布式锁、配置管理、 leader 选举。ZooKeeper 需要保证多个副本的数据一致性，因此设计了 ZAB 协议。

ZAB 的目标是保证所有副本的顺序一致性：所有节点看到相同的事务顺序。

ZAB 的角色

Leader（领导者）

Leader 接收客户端请求，将请求广播给 Follower。Leader 是唯一的，系统中最多有一个 Leader。

Leader 的职责：接收客户端请求、将请求广播给 Follower、收集 Follower 的确认、提交已确认的事务。

Follower（跟随者）

Follower 响应 Leader 的请求，包括事务请求和心跳请求。Follower 可以处理读请求，但写请求需要转发给 Leader。

Follower 的职责：响应 Leader 的事务请求、响应 Leader 的心跳请求、处理客户端读请求、如果长时间未收到 Leader 心跳，则发起选举。

Observer（观察者）

Observer 不参与选举和事务确认，只接收 Leader 的事务广播。Observer 可以扩展读能力，但不影响写性能。

Observer 的职责：接收 Leader 的事务广播、处理客户端读请求、不参与选举和投票。

消息广播

事务提交流程

客户端向 Follower 提交事务请求，Follower 将请求转发给 Leader。

Leader 为事务分配全局递增的 ZXID（ZooKeeper Transaction ID），ZXID 是 64 位，高 32 位是 epoch（纪元），低 32 位是计数器。Leader 将事务广播给 Follower。

Follower 收到事务后，将其添加到事务日志，并向 Leader 发送 ACK。

Leader 收到多数派（N/2 + 1）的 ACK 后，广播 COMMIT 消息，通知 Follower 提交事务。

Follower 收到 COMMIT 消息后，执行事务，更新内存数据库。

消息广播的特性

顺序性：消息按 ZXID 顺序广播，保证所有节点看到相同的事务顺序。

原子性：事务要么被所有节点执行，要么都不执行。只有多数派确认的事务才会被提交。

崩溃恢复

Leader 崩溃

如果 Leader 崩溃，Follower 会发起选举，选出新的 Leader。

新 Leader 必须拥有所有已提交的事务。已提交的事务是指多数派确认的事务，ZXID 最大。

新 Leader 恢复未提交的事务。未提交的事务是指 Leader 已广播但未获得多数派确认的事务，新 Leader 会丢弃这些事务。

Follower 崩溃

Follower 崩溃后恢复，会从 Leader 同步数据。Follower 发送其最后的 ZXID 给 Leader，Leader 发送该 ZXID 之后的所有事务。

Follower 可能落后很多，Leader 可能发送快照（Snapshot）而不是事务。快照是某个时刻的内存数据库状态。

数据一致性

ZAB 保证数据一致性：已提交的事务不会丢失，未提交的事务不会执行。

已提交的事务是指多数派确认的事务，新 Leader 必须拥有这些事务。未提交的事务是指未获得多数派确认的事务，新 Leader 会丢弃这些事务。

Leader 选举

选举触发

Follower 如果长时间（timeout，默认 2 倍 tickTime）未收到 Leader 心跳，则认为 Leader 故障，转为 LOOKING 状态，发起选举。

选举流程

节点广播选举投票（投票包含自己 ZXID），收到其他节点的投票后，比较 ZXID，选择 ZXID 最大的节点作为 Leader。

ZXID 最大的节点拥有最新的事务，选择它可以保证已提交的事务不丢失。

如果节点收到多数票，则成为 Leader，广播 LEADER 消息。其他节点收到 LEADER 消息后，转为 FOLLOWING 状态。

选举的快速恢复

ZAB 的选举可以快速恢复，因为 ZXID 最大的节点直接成为 Leader，不需要额外的数据同步。

ZAB 的选举可以保证数据一致性，因为 ZXID 最大的节点拥有所有已提交的事务。

ZAB vs Raft

ZAB 和 Raft 都是 Leader-based 的共识算法，有领导者选举和日志复制两个阶段。

ZAB 的 epoch 类似 Raft 的 Term，ZAB 的 ZXID 类似 Raft 的日志索引和任期号组合。

ZAB 的区别：ZAB 只支持顺序操作（ZooKeeper 是类似文件系统的 API），Raft 支持通用状态机。ZAB 的快照是完整的内存数据库状态，Raft 的快照是状态机的快照。

ZooKeeper 的应用

分布式锁：ZooKeeper 的临时顺序节点可以实现分布式锁。客户端创建临时顺序节点，序号最小的节点获得锁。

Leader 选举：ZooKeeper 的临时节点可以实现 Leader 选举。多个客户端创建临时节点，成功创建的客户端成为 Leader，其他客户端监听该节点。

配置管理：ZooKeeper 的监听机制可以实现配置变更通知。客户端监听配置节点，配置变更时 ZooKeeper 通知客户端。

服务发现：ZooKeeper 的临时节点可以实现服务注册与发现。服务启动时注册临时节点，客户端监听服务列表。

ZAB 的总结

ZAB 是 ZooKeeper 的原子广播协议，保证 ZooKeeper 集群的一致性。ZAB 类似 Raft，有领导者选举和消息广播两个阶段。ZAB 保证顺序一致性、数据一致性，是分布式协调的基础。

理解 ZAB 有助于理解 ZooKeeper 的原理，也有助于理解其他共识算法。