Zookeeper的選舉算法和腦裂問題深度講解
ZK介紹
- ZK = zookeeper
ZK是微服務解決方案中擁有服務注冊發現最為核心的環境，是微服務的基石。作為服務注冊發現模塊，并不是只有ZK一種產品，目前得到行業認可的還有：Eureka、Consul。
這里我們只聊ZK，這個工具本身很小zip包就幾兆，安裝非常傻瓜，能夠支持集群部署。
背景
在集群環境下ZK的leader&follower的概念，已經節點異常ZK面臨的問題以及如何解決。ZK本身是java語言開發，也開源到Github上但官方文檔對內部介紹的很少，零散的博客很多，有些寫的很不錯。
提問：
- zookeeper選舉算法中的過半票數才提供正常服務，這是什么邏輯?
ZK集群單節點狀態(每個節點有且只有一個狀態)，ZK的定位一定需要一個leader節點處于lading狀態。
- looking：尋找leader狀態，當前集群沒有leader，進入leader選舉流程。
- following：跟隨者狀態，接受leading節點同步和指揮。
- leading：領導者狀態。
- observing：觀察者狀態，表名當前服務器是observer。
ZK投票處理策略
投票信息包含 ：所選舉leader的Serverid，Zxid，SelectionEpoch
- Epoch判斷，自身logicEpoch與SelectionEpoch判斷：大于、小于、等于。
- 優先檢查ZXID。ZXID比較大的服務器優先作為Leader。
- 如果ZXID相同，那么就比較myid。myid較大的服務器作為Leader服務器。
過半選舉算法
ZK中有三種選舉算法，分別是LeaderElection,FastLeaderElection,AuthLeaderElection，FastLeaderElection和AuthLeaderElection是類似的選舉算法，唯一區別是后者加入了認證信息， FastLeaderElection比LeaderElection更高效，后續的版本只保留FastLeaderElection。
理解：
在集群環境下多個節點啟動，ZK首先需要在多個節點中選出一個節點作為leader并處于Leading狀態，這樣就面臨一個選舉問題，同時選舉規則是什么樣的。“過半選舉算法”：投票選舉中獲得票數過半的節點勝出，即狀態從looking變為leading，效率更高。
以5臺服務器講解思路：
服務器1啟動,此時只有它一臺服務器啟動了,它發出去的Vote沒有任何響應,所以它的選舉狀態一直是LOOKING狀態;
服務器2啟動,它與最開始啟動的服務器1進行通信,互相交換自己的選舉結果,由于兩者都沒有歷史數據,所以id值較大的服務器2勝出,但是由于沒有達到超過半數以上的服務器都同意選舉它(這個例子中的半數以上是3),所以服務器1,2還是繼續保持LOOKING狀態.
服務器3啟動,根據前面的理論，分析有三臺服務器選舉了它,服務器3成為服務器1,2,3中的老大,所以它成為了這次選舉的leader.
服務器4啟動,根據前面的分析，理論上服務器4應該是服務器1,2,3,4中最大的,但是由于前面已經有半數以上的服務器選舉了服務器3,所以它只能接收當小弟的命了.
服務器5啟動,同4一樣,當小弟.
假設5臺中掛了2臺(3、4)，其中leader也掛掉：
leader和follower間有檢查心跳，需要同步數據 Leader節點掛了，整個Zookeeper集群將暫停對外服務，進入新一輪Leader選舉
1)服務器1、2、5發現與leader失聯，狀態轉為looking，開始新的投票 2)服務器1、2、5分別開始投票并廣播投票信息，自身Epoch自增; 3) 服務器1、2、5分別處理投票，判斷出leader分別廣播 4)根據投票處理邏輯會選出一臺(2票過半) 5)各自服務器重新變更為leader、follower狀態 6)重新提供服務
腦裂問題
腦裂問題出現在集群中leader死掉，follower選出了新leader而原leader又復活了的情況下，因為ZK的過半機制是允許損失一定數量的機器而扔能正常提供給服務，當leader死亡判斷不一致時就會出現多個leader。
方案：
ZK的過半機制一定程度上也減少了腦裂情況的出現，起碼不會出現三個leader同時。ZK中的Epoch機制(時鐘)每次選舉都是遞增+1，當通信時需要判斷epoch是否一致，小于自己的則拋棄，大于自己則重置自己，等于則選舉;
歸納
在日常的ZK運維時需要注意以上場景在極端情況下出現問題，特別是腦裂的出現，可以采用：
過半選舉策略下部署原則：
- 服務器群部署要單數，如：3、5、7、...，單數是最容易選出leader的配置量。
- ZK允許節點最大損失數，原則就是“保證過半選舉正常”，多了就是浪費。
詳細的算法邏輯是很復雜要考慮很多情況，其中有個Epoch的概念(自增長)，分為：LogicEpoch和ElectionEpoch，每次投票都有判斷每個投票周期是否一致等等。
