ZAB 协议（ZooKeeper Atomic Broadcast） 是 ZooKeeper 保证数据一致性和高可用性的核心协议之一。它是一个基于原子广播的协议，确保 ZooKeeper 集群中的数据能够按照顺序一致地传播到所有节点，并且在发生故障时能够恢复到一致状态。

ZAB 协议的设计灵感来源于 Paxos 协议，但与 Paxos 相比，ZAB 协议针对 ZooKeeper 的使用场景进行了优化，特别是为了支持高效的故障恢复和顺序一致性。ZAB 协议的作用是保证 原子广播（Atomic Broadcast）操作，即所有写请求在 ZooKeeper 集群中的传播和执行是原子且一致的。

ZAB 协议的关键特点

1. 原子性（Atomicity）：ZAB 协议确保所有节点要么成功接收到事务（写操作），要么完全不接收到任何事务。事务广播是原子的，要么成功提交，要么完全丢失，没有中间状态。
2. 顺序一致性（Sequential Consistency）：所有节点会按相同的顺序接收和处理写操作。换句话说，事务的顺序在所有节点中保持一致。
3. 故障恢复（Fault Tolerance）：在网络分区或节点故障的情况下，ZAB 协议能够保证 ZooKeeper 集群的高可用性和一致性。通过选举新的 Leader 节点，集群可以恢复并继续处理事务。

ZAB 协议的工作流程

ZAB 协议有两个核心阶段：

1. 领导者选举阶段

ZAB 协议首先需要选举一个 Leader 节点。Leader 节点负责处理所有的写请求，并将这些请求广播到集群中的所有 Follower 节点。Leader 选举的过程如下：

• 在 ZooKeeper 集群初始化时，所有节点都处于 LOOKING 状态，表示它们正在寻找一个 Leader 节点。
• 节点通过比较自己的事务 ID（ZXID）来确定自己是否是 Leader 候选者。如果某个节点的事务 ID 是最大（即最新），它会投票支持自己。
• 当某个节点获得大多数节点的投票支持时，它就被选举为 Leader。
• Leader 选举完成后，集群中只有一个 Leader 节点，其他节点则充当 Follower。

2. 数据广播阶段（原子广播）

一旦 Leader 被选举出来，它就会开始接收来自客户端的写请求。Leader 会将这些写请求按顺序打包成 事务，并将事务广播给所有的 Follower 节点。广播过程是通过 ZAB 协议的 原子广播（Atomic Broadcast）机制进行的。原子广播包括两个主要步骤：

• 准备阶段（Proposal）：Leader 向 Follower 广播事务提议，并为每个事务分配一个唯一的事务 ID（ZXID）。Leader 发送的消息包括事务内容和事务 ID（ZXID）。

• 提交阶段（Commit）：当 Follower 收到事务提议后，它会先进行本地持久化，并向 Leader 发送确认消息。只有在 Leader 收到多数 Follower 节点的确认消息后，才认为事务可以提交。这时，Leader 会通知所有 Follower 提交事务并执行。

ZAB 协议的容错与高可用性

ZAB 协议通过 多数派原则 和 Leader 选举机制来实现故障恢复和高可用性：

• 多数派原则：一个事务只有在 大多数节点（超过半数）确认接收到该事务时，才会被认为已经提交。这种机制可以确保集群在节点宕机的情况下，仍然能够继续正常工作。

• Leader 选举与恢复：当 Leader 节点发生故障时，集群会进行新的 Leader 选举，保证集群能够恢复。ZAB 协议能够在网络分区和节点宕机的情况下通过选举机制自动选出一个新的 Leader。

• 数据一致性：通过顺序广播事务，ZAB 协议确保所有节点的数据是按一致的顺序更新的，即使在出现节点宕机和网络分区的情况下，也能保证数据一致性。

ZAB 协议的流程图

1. Leader 选举：

   • 节点开始处于 LOOKING 状态，发送投票请求。
   • 节点根据自己的事务 ID（ZXID）选择是否投票支持自己。
   • 节点收到大多数节点的投票后，成为 Leader。

2. 事务广播：

   • Leader 接收写请求，生成事务并广播给 Follower。
   • Follower 收到事务并持久化，向 Leader 发送确认消息。
   • Leader 收到大多数 Follower 的确认后，通知所有节点提交事务。

ZAB 协议的优缺点

优点：

1. 高效的故障恢复：ZAB 协议允许在 Leader 节点宕机时快速选举新的 Leader，保证集群的高可用性。
2. 强一致性：ZAB 协议保证了 ZooKeeper 集群中所有节点的顺序一致性，确保事务的顺序在所有节点中一致。
3. 高吞吐量：通过顺序写入和原子广播，ZAB 协议能够处理大量的写请求并保持高效。

缺点：

1. 写操作的性能瓶颈：ZAB 协议中所有写操作必须经过 Leader 节点并广播到所有 Follower，因此写请求的性能可能成为瓶颈，尤其是在集群节点数量较多时。
2. 对网络可靠性的要求较高：ZAB 协议依赖于大多数节点的确认，因此网络分区或节点故障会影响性能和一致性。