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Zookpeer是什么?在系统中如何起作用?

Zookpeer是什么?在系统中如何起作用?

作者: 艾剪疏 | 来源:发表于2018-11-15 09:33 被阅读107次

    1 Zookeeper提供了什么
    2 我们能用Zookeeper做什么
    3 Zookeeper的基本概念
    4 ZooKeeper的工作原理
    5 Zookeeper工作流程
    6 参考文献

    Zookeeper分布式服务框架是Apache Hadoop的一个子项目,它主要是用来解决分布式应用中经常遇到的一些数据管理问题。如:统一命名服务、状态同步服务、集群管理、分布式应用配置项的管理等。

    我们先看看它都提供了哪些功能,然后再看看使用它的这些功能能做点什么。

    1 zookeeper提供了什么

    简单的说,zookeeper=文件系统+通知机制。

    (1)文件系统

    Zookeeper维护一个类似文件系统的数据结构:


    image.png

    每个子目录项如 NameService 都被称作为 znode,和文件系统一样,我们能够自由的增加、删除znode,在一个znode下增加、删除子znode,唯一的不同在于znode是可以存储数据的。

    (2)通知机制

    客户端注册监听它关心的目录节点,当目录节点发生变化(数据改变、被删除、子目录节点增加删除)时,zookeeper会通知客户端。

    2 我们能用zookeeper做什么

    (1) 命名服务

    这个似乎最简单,在zookeeper的文件系统里创建一个目录,即有唯一的path。在我们使用tborg无法确定上游程序的部署机器时即可与下游程序约定好path,通过path即能互相探索发现,不见不散了。

    (2)配置管理

    程序总是需要配置的,如果程序分散部署在多台机器上,要逐个改变配置就变得困难。
    可以把这些配置全部放到zookeeper上去,保存在 Zookeeper 的某个目录节点中,然后所有相关应用程序对这个目录节点进行监听,一旦配置信息发生变化,每个应用程序就会收到 Zookeeper 的通知,然后从 Zookeeper 获取新的配置信息应用到系统中就好。


    image.png

    (3)集群管理

    集群管理无在乎两点:是否有机器退出和加入、选举master。

    对于第一点,所有机器约定在父目录GroupMembers下创建临时目录节点,然后监听父目录节点的子节点变化消息。一旦有机器挂掉,该机器与 zookeeper的连接断开,其所创建的临时目录节点被删除,所有其他机器都收到通知:某个兄弟目录被删除,于是,所有人都知道:它下船了。当然又会有新机器加入,也是类似:所有机器收到通知---新兄弟目录加入,highcount又有了,有人上船了。

    对于第二点,我们假设机器创建临时顺序编号目录节点,每次选取编号最小的机器作为master就好。

    image.png

    下面两种我暂时没用到,仅作了解。

    (4) 分布式锁

    有了zookeeper的一致性文件系统,锁的问题变得容易。锁服务可以分为两类,一个是保持独占,另一个是控制时序。

    对于第一类,我们将zookeeper上的一个znode看作是一把锁,通过createznode的方式来实现。所有客户端都去创建 /distribute_lock 节点,最终成功创建的那个客户端也即拥有了这把锁。厕所有言:来也冲冲,去也冲冲,用完删除掉自己创建的distribute_lock 节点就释放出锁。

    对于第二类, /distribute_lock 已经预先存在,所有客户端在它下面创建临时顺序编号目录节点,和选master一样,编号最小的获得锁,用完删除,依次方便。

    (5)队列管理

    两种类型的队列:

    1、 同步队列,当一个队列的成员都聚齐时,这个队列才可用,否则一直等待所有成员到达。

    2、队列按照 FIFO 方式进行入队和出队操作。

    第一类,在约定目录下创建临时目录节点,监听节点数目是否是我们要求的数目。

    第二类,和分布式锁服务中的控制时序场景基本原理一致,入列有编号,出列按编号。

    3 Zookeeper的基本概念

    (1)角色

    Zookeeper中的角色主要有以下三类:


    image.png

    系统模型如图所示:


    image.png

    (2)设计目的

    • 最终一致性:client不论连接到哪个Server,展示给它都是同一个视图,这是zookeeper最重要的性能。

    • 可靠性:具有简单、健壮、良好的性能,如果消息m被到一台服务器接受,那么它将被所有的服务器接受。

    • 实时性:Zookeeper保证客户端将在一个时间间隔范围内获得服务器的更新信息,或者服务器失效的信息。但由于网络延时等原因,Zookeeper不能保证两个客户端能同时得到刚更新的数据,如果需要最新数据,应该在读数据之前调用sync()接口。

    • 等待无关(wait-free):慢的或者失效的client不得干预快速的client的请求,使得每个client都能有效的等待。

    • 原子性:更新只能成功或者失败,没有中间状态。

    • 顺序性:包括全局有序和偏序两种:全局有序是指如果在一台服务器上消息a在消息b前发布,则在所有Server上消息a都将在消息b前被发布;偏序是指如果一个消息b在消息a后被同一个发送者发布,a必将排在b前面。

    4 ZooKeeper的工作原理

    Zookeeper的核心是原子广播,这个机制保证了各个Server之间的同步。实现这个机制的协议叫做Zab协议。Zab协议有两种模式,它们分 别是恢复模式(选主)和广播模式(同步)。当服务启动或者在领导者崩溃后,Zab就进入了恢复模式,当领导者被选举出来,且大多数Server完成了和 leader的状态同步以后,恢复模式就结束了。状态同步保证了leader和Server具有相同的系统状态。

    为了保证事务的顺序一致性,zookeeper采用了递增的事务id号(zxid)来标识事务。所有的提议(proposal)都在被提出的时候加上 了zxid。实现中zxid是一个64位的数字,它高32位是epoch用来标识leader关系是否改变,每次一个leader被选出来,它都会有一个 新的epoch,标识当前属于那个leader的统治时期。低32位用于递增计数。

    每个Server在工作过程中有三种状态:

    • LOOKING:当前Server不知道leader是谁,正在搜寻;
    • LEADING:当前Server即为选举出来的leader;
    • FOLLOWING:leader已经选举出来,当前Server与之同步;

    (1)选主流程

    当leader崩溃或者leader失去大多数的follower,这时候zk进入恢复模式,恢复模式需要重新选举出一个新的leader,让所有的 Server都恢复到一个正确的状态。Zk的选举算法有两种:一种是基于basic paxos实现的,另外一种是基于fast paxos算法实现的。系统默认的选举算法为fast paxos。先介绍basic paxos流程:

    1. 选举线程由当前Server发起选举的线程担任,其主要功能是对投票结果进行统计,并选出推荐的Server;
    2. 选举线程首先向所有Server发起一次询问(包括自己);
    3. 选举线程收到回复后,验证是否是自己发起的询问(验证zxid是否一致),然后获取对方的id(myid),并存储到当前询问对象列表中,最后获取对方提议的leader相关信息( id,zxid),并将这些信息存储到当次选举的投票记录表中;
    4. 收到所有Server回复以后,就计算出zxid最大的那个Server,并将这个Server相关信息设置成下一次要投票的Server;
    5. 线程将当前zxid最大的Server设置为当前Server要推荐的Leader,如果此时获胜的Server获得n/2 + 1的Server票数, 设置当前推荐的leader为获胜的Server,将根据获胜的Server相关信息设置自己的状态,否则,继续这个过程,直到leader被选举出来。

    通过流程分析我们可以得出:要使Leader获得多数Server的支持,则Server总数必须是奇数2n+1,且存活的Server的数目不得少于n+1.

    (2)同步流程

    选完leader以后,zk就进入状态同步过程。

    1. leader等待server连接;
    2. Follower连接leader,将最大的zxid发送给leader;
    3. Leader根据follower的zxid确定同步点;
    4. 完成同步后通知follower 已经成为uptodate状态;
    5. Follower收到uptodate消息后,又可以重新接受client的请求进行服务了。


      image.png

    5 Zookeeper工作流程

    (1)Leader工作流程

    Leader主要有三个功能:

    1. 恢复数据;
    2. 维持与Learner的心跳,接收Learner请求并判断Learner的请求消息类型;
    3. Learner的消息类型主要有PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息,根据不同的消息类型,进行不同的处理。

    PING消息是指Learner的心跳信息;REQUEST消息是Follower发送的提议信息,包括写请求及同步请求;ACK消息是 Follower的对提议的回复,超过半数的Follower通过,则commit该提议;REVALIDATE消息是用来延长SESSION有效时间。
    Leader的工作流程简图如下所示,在实际实现中,流程要比下图复杂得多,启动了三个线程来实现功能。

    image.png

    (2)Follower工作流程

    Follower主要有四个功能:

    1. 向Leader发送请求(PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息);
    2. 接收Leader消息并进行处理;
    3. 接收Client的请求,如果为写请求,发送给Leader进行投票;
    4. 返回Client结果。

    Follower的消息循环处理如下几种来自Leader的消息:

    1. PING消息: 心跳消息;
    2. PROPOSAL消息:Leader发起的提案,要求Follower投票;
    3. COMMIT消息:服务器端最新一次提案的信息;
    4. UPTODATE消息:表明同步完成;
    5. REVALIDATE消息:根据Leader的REVALIDATE结果,关闭待revalidate的session还是允许其接受消息;
    6. SYNC消息:返回SYNC结果到客户端,这个消息最初由客户端发起,用来强制得到最新的更新。

    Follower的工作流程简图如下所示,在实际实现中,Follower是通过5个线程来实现功能的。

    image.png

    6 参考文献

    https://blog.csdn.net/xinguan1267/article/details/38422149
    https://blog.csdn.net/gs80140/article/details/51496925
    https://www.2cto.com/kf/201708/668587.html
    https://blog.csdn.net/milhua/article/details/78931672




    P.S. 这篇文章是本人对网络上关于ZK的文章阅读之后整理所得,作为入门级的了解。个人觉得看了上面的内容就能基本了解Zookeeper的作用了,后面在结合实际项目使用加深自己的了解。

    end

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