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分布式算法 —— ZAB算法

本文主要是介绍分布式算法 —— ZAB算法,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

分布式算法 - ZAB(Zookeeper Atomic Broadcast)算法

ZAB协议

ZAB 协议全称:Zookeeper Atomic Broadcast(Zookeeper 原子广播协议)。

  • Zookeeper 是一个为分布式应用提供高效且可靠的分布式协调服务。在解决分布式一致性方面,Zookeeper 并没有使用 Paxos ,而是采用了 ZAB 协议。
  • ZAB 协议定义:ZAB 协议是为分布式协调服务 Zookeeper 专门设计的一种支持 崩溃恢复原子广播协议
  • 基于该协议,Zookeeper 实现了一种 主备模式 的系统架构来保持集群中各个副本之间数据一致性。

  • 复制过程类似 2PC,ZAB 只需要 Follower 有一半以上返回 Ack 信息就可以执行提交,大大减小了同步阻塞。也提高了可用性。


原子广播

ZAB 协议的消息广播过程使用的是一个原子广播协议,类似一个 二阶段提交过程。

对于客户端发送的写请求,全部由 Leader 接收,Leader 将请求封装成一个事务 Proposal,将其发送给所有 Follwer ,

然后,根据所有 Follwer 的反馈,如果超过半数成功响应,则执行 commit 操作(先提交自己,再发送 commit 给所有 Follwer)

值得注意的是:

    Leader 在收到客户端请求之后,会将这个请求封装成一个事务,并给这个事务分配一个全局递增的唯一 ID,称为事务ID(ZXID),ZAB 兮协议需要保证事务的顺序,因此必须将每一个事务按照 ZXID 进行先后排序然后处理

    在 Leader 和 Follower 之间还有一个消息队列,用来解耦他们之间的耦合,解除同步阻塞。

    zookeeper集群中为保证任何所有进程能够有序的顺序执行,只能是 Leader 服务器接受写请求,即使是 Follower 服务器接受到客户端的请求,也会转发到 Leader 服务器进行处理

    实际上,这是一种简化版本的 2PC,并不能解决单点问题



崩溃恢复

    当Leader崩溃(与过半的Follower失去联系),就会进入崩溃恢复模式。

ZAB定义两个原则:

  • ZAB 协议确保那些已经在 Leader 提交的事务最终会被所有服务器提交。
  • ZAB 协议确保丢弃那些只在 Leader 提出/复制,但没有提交的事务。

    所以,ZAB 设计了下面这样一个选举算法:能够确保提交已经被 Leader 提交的事务,同时丢弃已经被跳过的事务

    针对这个要求,如果让 Leader 选举算法能够保证新选举出来的 Leader 服务器拥有集群总所有机器编号(即 ZXID 最大)的事务,那么就能够保证这个新选举出来的 Leader 一定具有所有已经提交的提案。

    而且这么做有一个好处是:可以省去 Leader 服务器检查事务的提交和丢弃工作的这一步操作

graph LR A(Leader崩溃) --> B(根据ZXID选举Leader) --> C(选举成功,开始同步数据)



数据同步

    当崩溃恢复之后,需要确认是否完成了数据同步。目的是为了保持数据一致。当所有的 Follwer 服务器都成功同步之后,Leader 会将这些服务器加入到可用服务器列表中。

    Leader服务器处理或丢弃事务都是依赖 ZXID ,下面是ZXID的生成过程:

    在 ZAB 协议的事务编号 ZXID 设计中,ZXID 是一个 64 位的字节码

    其中低 32 位可以看作是一个简单的递增的计数器,针对客户端的每一个事务请求,Leader 都会产生一个新的事务 Proposal 并对该计数器进行 + 1 操作。

    而高 32 位则代表了 Leader 服务器上取出本地日志中最大事务 Proposal 的 ZXID,并从该 ZXID 中解析出对应的 epoch 值,然后再对这个值加一。

    高 32 位代表了每代 Leader 的唯一性,低 32 代表了每代 Leader 中事务的唯一性。同时,也能让 Follower 通过高 32 位识别不同的 Leader。简化了数据恢复流程。

    基于这样的策略:当 Follower 链接上 Leader 之后,Leader 服务器会根据自己服务器上最后被提交的 ZXID 和 Follower 上的 ZXID 进行比对,比对结果要么回滚,要么和 Leader 同步。



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