Zookeeper基本架构原理详解

深藏阁楼爱情的钟 2023-02-20 02:38 84阅读 0赞

### 目录 ###

*   *  场景一
     *  场景二
     *  一、概念理解
     *   *  （1）zookeeper是什么
         *  （2）zookeeper提供了什么
         *   *  （1）文件系统
             *  （2）通知机制
         *  （3）我们能用zookeeper做什么
         *   *  （1）命名服务
             *  （2）配置管理
             *  （3）集群管理
             *  （4）分布式锁
             *  （5）队列管理
         *  （4）分布式与数据复制
         *  （5）数据一致性与paxos算法
     *  二、Zookeeper的基本概念
     *   *  （1）角色
         *   *  （2）设计目的
     *  三、ZooKeeper的工作原理
     *   *  （1）选主流程
         *  （2）同步流程
         *   *  （1）Leader工作流程
             *  （2）Follower工作流程

## 场景一 ##

有这样一个场景：系统中有大约100w的用户，每个用户平 均有3个邮箱账号，每隔5分钟，每个邮箱账需要收取100封邮件，最多3亿份邮件需要下载到服务器中(不含附件和正文)。用20台机器划分计算的压力，从 多个不同的网路出口进行访问外网，计算的压力得到缓解，那么每台机器的计算压力也不会很大了。

通过我们的讨论和以往的经验判断在这场景中可以实现并行计算，但我们还期望能对并行计算的节点进行动态的添加/删除，做到在线更新并行计算的数目并且不会影响计算单元中的其他计算节点，但是有4个问题需要解决，否则会出现一些严重的问题：

1.  20台机器同时工作时，有一台机器down掉了，其他机器怎么进行接管计算任务，否则有些用户的业务不会被处理，造成用户服务终断。
2.  随着用户数量增加，添加机器是可以解决计算的瓶颈，但需要重启所有计算节点，如果需要，那么将会造成整个系统的不可用。
3.  用户数量增加或者减少，计算节点中的机器会出现有的机器资源使用率繁忙，有的却空闲，因为计算节点不知道彼此的运行负载状态。
4.  怎么去通知每个节点彼此的负载状态，怎么保证通知每个计算节点方式的可靠性和实时性。

先不说那么多专业名词，白话来说我们需要的是：1记录状态，2事件通知 ，3可靠稳定的中央调度器，4易上手、管理简单。

采用Zookeeper完全可以解决我们的问题，分布式计算中的协调员，观察者，分布式锁 都可以作为zookeeper的关键词，在系统中利用Zookeeper来处理事件通知,队列,优先队列,锁,共享锁等功能，利用这些特色在分布式计算中发挥重要的作用。

## 场景二 ##

假设我们我们有个20个搜索引擎的服务器(每个负责总索引中的一部分的搜索任务)和一个总服务器(负责向这20个搜索引擎的服务器发出搜索请求并合并 结果集),一个备用的总服务器(负责当总服务器宕机时替换总服务器),一个web的 cgi(向总服务器发出搜索请求).搜索引擎的服务器中的15个服务器现在提供搜索服务,5个服务器正在生成索引.这20个搜索引擎的服务器经常要让正在 提供搜索服务的服务器停止提供服务开始生成索引,或生成索引的服务器已经把索引生成完成可以搜索提供服务了.使用Zookeeper可以保证总服务器自动 感知有多少提供搜索引擎的服务器并向这些服务器发出搜索请求,备用的总服务器宕机时自动启用备用的总服务器,web的cgi能够自动地获知总服务器的网络 地址变化.这些又如何做到呢?

1.提供搜索引擎的服务器都在Zookeeper中创建znode,zk.create("/search/nodes/node1",

“hostname”.getBytes(), Ids.OPEN\_ACL\_UNSAFE, CreateFlags.EPHEMERAL);

2.总服务器可以从Zookeeper中获取一个znode的子节点的列表,zk.getChildren("/search/nodes", true);

3.总服务器遍历这些子节点,并获取子节点的数据生成提供搜索引擎的服务器列表.

4.当总服务器接收到子节点改变的事件信息,重新返回第二步.

5.总服务器在Zookeeper中创建节点,zk.create("/search/master", “hostname”.getBytes(), Ids.OPEN\_ACL\_UNSAFE, CreateFlags.EPHEMERAL);

6.备用的总服务器监控Zookeeper中的"/search/master"节点.当这个znode的节点数据改变时,把自己启动变成总服务器,并把自己的网络地址数据放进这个节点.

7.web的cgi从Zookeeper中"/search/master"节点获取总服务器的网络地址数据并向其发送搜索请求.

8.web的cgi监控Zookeeper中的"/search/master"节点,当这个znode的节点数据改变时,从这个节点获取总服务器的网络地址数据,并改变当前的总服务器的网络地址.

在我的测试中:一个Zookeeper的集群中,3个Zookeeper节点.一个leader,两个follower的情况下,停掉leader,然后两个follower选举出一个leader.获取的数据不变.我想Zookeeper能够帮助Hadoop做到:

Hadoop,使用Zookeeper的事件处理确保整个集群只有一个NameNode,存储配置信息等.

HBase,使用Zookeeper的事件处理确保整个集群只有一个HMaster,察觉HRegionServer联机和宕机,存储访问控制列表等.

## 一、概念理解 ##

### （1）zookeeper是什么 ###

官方说辞：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。

### （2）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：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTM2NjQ5OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
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。  
有四种类型的znode：  
1、PERSISTENT-持久化目录节点

客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在

2、 PERSISTENT\_SEQUENTIAL-持久化顺序编号目录节点

客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号

3、EPHEMERAL-临时目录节点

客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除

4、EPHEMERAL\_SEQUENTIAL-临时顺序编号目录节点

客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号

#### （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。 就这么简单，下面我们看看能做点什么呢？

### （3）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。好吧，现在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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTM2NjQ5OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

#### （3）集群管理 ####

所谓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：它上船了。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。

对于第二点，我们稍微改变一下，所有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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTM2NjQ5OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

#### （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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTM2NjQ5OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

#### （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。

### （4）分布式与数据复制 ###

Zookeeper作为一个集群提供一致的数据服务，自然，它要在所有机器间做数据复制。数据复制的好处：

1.  容错：一个节点出错，不致于让整个系统停止工作，别的节点可以接管它的工作；
2.  提高系统的扩展能力：把负载分布到多个节点上，或者增加节点来提高系统的负载能力；
3.  提高性能：让客户端本地访问就近的节点，提高用户访问速度。

从客户端读写访问的透明度来看，数据复制集群系统分下面两种：

1.  写主(WriteMaster)：对数据的修改提交给指定的节点。读无此限制，可以读取任何一个节点。这种情况下客户端需要对读与写进行区别，俗称读写分离；
2.  写任意(Write Any)：对数据的修改可提交给任意的节点，跟读一样。这种情况下，客户端对集群节点的角色与变化透明。

对zookeeper来说，它采用的方式是写任意。通过增加机器，它的读吞吐能力和响应能力扩展性非常好，而写，随着机器的增多吞吐能力肯定下降（这 也是它建立observer的原因），而响应能力则取决于具体实现方式，是延迟复制保持最终一致性，还是立即复制快速响应。

### （5）数据一致性与paxos算法 ###

据说Paxos算法的难理解与算法的知名度一样令人敬仰，所以我们先看如何保持数据的一致性，这里有个原则就是：

在一个分布式数据库系统中，如果各节点的初始状态一致，每个节点都执行相同的操作序列，那么他们最后能得到一个一致的状态。

Paxos算法解决的什么问题呢，解决的就是保证每个节点执行相同的操作序列。好吧，这还不简单，master维护一个全局写队列，所有写操作都必须 放入这个队列编号，那么无论我们写多少个节点，只要写操作是按编号来的，就能保证一致性。没错，就是这样，可是如果master挂了呢。

Paxos算法通过投票来对写操作进行全局编号，同一时刻，只有一个写操作被批准，同时并发的写操作要去争取选票，只有获得过半数选票的写操作才会被 批准（所以永远只会有一个写操作得到批准），其他的写操作竞争失败只好再发起一轮投票，就这样，在日复一日年复一年的投票中，所有写操作都被严格编号排 序。编号严格递增，当一个节点接受了一个编号为100的写操作，之后又接受到编号为99的写操作（因为网络延迟等很多不可预见原因），它马上能意识到自己 数据不一致了，自动停止对外服务并重启同步过程。任何一个节点挂掉都不会影响整个集群的数据一致性（总2n+1台，除非挂掉大于n台）。

**总结**

Zookeeper 作为 Hadoop 项目中的一个子项目，是 Hadoop 集群管理的一个必不可少的模块，它主要用来控制集群中的数据，如它管理 Hadoop 集群中的 NameNode，还有 Hbase 中 Master Election、Server 之间状态同步等。

## 二、Zookeeper的基本概念 ##

### （1）角色 ###

Zookeeper中的角色主要有以下三类，如下表所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTM2NjQ5OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
系统模型如图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTM2NjQ5OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

#### （2）设计目的 ####

1.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。

2 .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。

3 .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。

4 .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。

5.原子性：更新只能成功或者失败，没有中间状态。

6 .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。

## 三、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.

每个Server启动后都会重复以上流程。在恢复模式下，如果是刚从崩溃状态恢复的或者刚启动的server还会从磁盘快照中恢复数据和会话信息，zk会记录事务日志并定期进行快照，方便在恢复时进行状态恢复。选主的具体流程图如下所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTM2NjQ5OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
fast paxos流程是在选举过程中，某Server首先向所有Server提议自己要成为leader，当其它Server收到提议以后，解决epoch和 zxid的冲突，并接受对方的提议，然后向对方发送接受提议完成的消息，重复这个流程，最后一定能选举出Leader。其流程图如下所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTM2NjQ5OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

### （2）同步流程 ###

#### （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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTM2NjQ5OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

#### （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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTM2NjQ5OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]  
对于observer的流程不再叙述，observer流程和Follower的唯一不同的地方就是observer不会参加leader发起的投票。

参考文章：

*  https://blog.csdn.net/lingbo229/article/details/81052078（推荐阅读）

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