zookeeper是怎样实现数据一致性的?
众所周知,zookeeper是一个开源的分布式协调服务,很多分布式的应用都是基于zookeeper来实现分布式锁,服务管理,服务发现,通知订阅等功能。那么。zookeeper自身是如何在分布式环境下实现数据的一致性的呢。一、结构既然zookeeper是在分布式环境下提供服务的,那么它必须要解决的问题就是单点问题,因此zookeeper是一个主备的结构。zookeeper 存在leader,foll
众所周知,zookeeper是一个开源的分布式协调服务,很多分布式的应用都是基于zookeeper来实现分布式锁,服务管理,服务发现,通知订阅等功能。那么。zookeeper自身是如何在分布式环境下实现数据的一致性的呢。
一、结构
既然zookeeper是在分布式环境下提供服务的,那么它必须要解决的问题就是单点问题,因此zookeeper是一个主备的结构。zookeeper 存在leader,follower,observer三种角色,这三种角色在实际服务集群中都是服务节点。
- leader:处理所有请求,为客户的提供读和写服务
- follower:只提供读服务,有机会通过选举成为leader
- observer:只提供读服务
由以上三种角色的介绍可知,zookeeper中所有请求都是交给leader处理的,因此,如果leader挂了,zookeeper就无法再提供服务,这就是单点问题。所幸在leader挂了之后,follower能够通过选举成为新的leader。
那么问题来了,follower是如何被选举成为新的leader的?新的leader又是如何保证数据的一致性的?这些问题的答案都在于zookeeper所用的分布式一致性协议ZAB。
二、ZAB协议
ZAB协议是为zookeeper专门设计的一种支持奔溃恢复的原子广播协议。虽然它不像Paxos算法那样通用通用,但是它却比Paxos算法易于理解。在我看来ZAB协议主要的作用在于三个方面1、选举出leader;2、同步节点之间的状态达到数据一致;3、数据的广播。
几个概念的定义
事务
zookeeper作为一个分布式协调服务,需要leader节点去接受外部请求,转化为内部操作(比如创建,修改,删除节点),需要原子性执行的几个操作就组成了事务,这里用T代表。zookeeper要求有序的处理事务,因此给每个事务一个编号,每进来一个事务编号加1,假设leader节点中进来n个事务,可以表示为T1,T2,T3…Tn。为了防止单点问题导致事务数据丢失,leader节点会把事务数据同步到follower节点中。
事务队列
leader和follower都会保存一个事务队列,用L表示,L=T1,T2,T3…Tn,leader的事务队列是接受请求保存下来的,follower的事务队列是leader同步过来的,因此leader的事务队列是最新,最全的。
任期
在zookeeper的工作过程中,leader节点奔溃,重新选举出新的leader是很正常的事情,所以zookeeper的运行历史中会产生多个leader,就好比一个国家的历史中会相继出现多位领导人。为了区分各个leader,ZAB协议用一个整数来表示任期,我们假设用E表示任务。zookeeper刚运行时选举出的第一个leader的任期为E=1;第一个leader奔溃后,下面选举出来的leader,任期会加1,E=2;以此类推。加入任期概念的事务应该表示为T(E,n)
三、协议过程
选举leader
每个follower广播自己事务队列中最大事务编号maxId
获取集群中其他follower发出来的maxId,选取出最大的maxId所属的follower,投票给follower,选它为leader。
统计所有投票,获取投票数超过一半的follower被推选为leader
同步数据
各个follower向leader发送自己保存的任期E
leader,比较所有的任期,选取最大的E,加1后作为当前的任期E=E+1
将任务E广播给所有follower
follower将任期改为leader发过来的值,并且返回给leader事务队列L
leader从队列集合中选取任期最大的队列,如果有多个队列任期都是最大,则选取事务编号n最大的队列Lmax。将Lmax作为leader队列,并且广播给各个follower。
follower接收队列替换自己的事务队列,并且执行提交队列中的事务。
至此各个节点的数据达成一致,zookeeper恢复正常服务。
广播
leader节点接收到请求,将事务加入事务队列,并且将事务广播给各个follower。
follower接收事务并加入都事务队列,然后给leader发送准备提交请求。
leader 接收到半数以上的准备提交请求后,提交事务同时向follower 发送提交事务请求
follower提交事务。
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