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    大數(shù)據(jù)入門(mén) | Zookeeper的工作原理

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    1 Zookeeper是什么?ZooKeeper是一個(gè)分布式的,開(kāi)放源碼的分布式應(yīng)用程序協(xié)調(diào)服務(wù),是Google的Chubby一個(gè)開(kāi)源的實(shí)現(xiàn),它是集群的管理者,監(jiān)

    1.Zookeeper是什么?

    ZooKeeper是一個(gè)分布式的,開(kāi)放源碼的分布式應(yīng)用程序協(xié)調(diào)服務(wù),是Google的Chubby一個(gè)開(kāi)源的實(shí)現(xiàn),它是集群的管理者,監(jiān)視著集群中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)根據(jù)節(jié)點(diǎn)提交的反饋進(jìn)行下一步合理操作。最終,將簡(jiǎn)單易用的接口和性能高效、功能穩(wěn)定的系統(tǒng)提供給用戶(hù)。

    2.Zookeeper提供了什么?

    1)文件系統(tǒng)

    2)通知機(jī)制

    3.Zookeeper文件系統(tǒng)

    每個(gè)子目錄項(xiàng)如 NameService 都被稱(chēng)作為znode,和文件系統(tǒng)一樣,我們能夠自由的增加、刪除znode,在一個(gè)znode下增加、刪除子znode,唯一的不同在于znode是可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。 

    有四種類(lèi)型的znode: 

    1、PERSISTENT-持久化目錄節(jié)點(diǎn) 

    客戶(hù)端與zookeeper斷開(kāi)連接后,該節(jié)點(diǎn)依舊存在 

    2、PERSISTENT_SEQUENTIAL-持久化順序編號(hào)目錄節(jié)點(diǎn) 

    客戶(hù)端與zookeeper斷開(kāi)連接后,該節(jié)點(diǎn)依舊存在,只是Zookeeper給該節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)進(jìn)行順序編號(hào) 

    3、EPHEMERAL-臨時(shí)目錄節(jié)點(diǎn) 

    客戶(hù)端與zookeeper斷開(kāi)連接后,該節(jié)點(diǎn)被刪除 

    4、EPHEMERAL_SEQUENTIAL-臨時(shí)順序編號(hào)目錄節(jié)點(diǎn) 

    客戶(hù)端與zookeeper斷開(kāi)連接后,該節(jié)點(diǎn)被刪除,只是Zookeeper給該節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)進(jìn)行順序編號(hào) 

     

    4.Zookeeper通知機(jī)制

    客戶(hù)端注冊(cè)監(jiān)聽(tīng)它關(guān)心的目錄節(jié)點(diǎn),當(dāng)目錄節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化(數(shù)據(jù)改變、被刪除、子目錄節(jié)點(diǎn)增加刪除)時(shí),zookeeper會(huì)通知客戶(hù)端。

    5.Zookeeper做了什么?

    1.命名服務(wù)  2.配置管理  3.集群管理  4.分布式鎖  5.隊(duì)列管理

    6.Zookeeper命名服務(wù)

    在zookeeper的文件系統(tǒng)里創(chuàng)建一個(gè)目錄,即有唯一的path。在我們使用tborg無(wú)法確定上游程序的部署機(jī)器時(shí)即可與下游程序約定好path,通過(guò)path即能互相探索發(fā)現(xiàn)。

    7.Zookeeper的配置管理

    程序總是需要配置的,如果程序分散部署在多臺(tái)機(jī)器上,要逐個(gè)改變配置就變得困難?,F(xiàn)在把這些配置全部放到zookeeper上去,保存在 Zookeeper 的某個(gè)目錄節(jié)點(diǎn)中,然后所有相關(guān)應(yīng)用程序?qū)@個(gè)目錄節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng),一旦配置信息發(fā)生變化,每個(gè)應(yīng)用程序就會(huì)收到 Zookeeper 的通知,然后從 Zookeeper 獲取新的配置信息應(yīng)用到系統(tǒng)中就好。

     

    8.Zookeeper集群管理

    所謂集群管理無(wú)在乎兩點(diǎn):是否有機(jī)器退出和加入、選舉master。 

    對(duì)于第一點(diǎn),所有機(jī)器約定在父目錄GroupMembers下創(chuàng)建臨時(shí)目錄節(jié)點(diǎn),然后監(jiān)聽(tīng)父目錄節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)變化消息。一旦有機(jī)器掛掉,該機(jī)器與 zookeeper的連接斷開(kāi),其所創(chuàng)建的臨時(shí)目錄節(jié)點(diǎn)被刪除,所有其他機(jī)器都收到通知:某個(gè)兄弟目錄被刪除,于是,所有人都知道:它上船了。

    新機(jī)器加入也是類(lèi)似,所有機(jī)器收到通知:新兄弟目錄加入,highcount又有了,對(duì)于第二點(diǎn),我們稍微改變一下,所有機(jī)器創(chuàng)建臨時(shí)順序編號(hào)目錄節(jié)點(diǎn),每次選取編號(hào)最小的機(jī)器作為master就好。

     



    9.Zookeeper分布式鎖

    有了zookeeper的一致性文件系統(tǒng),鎖的問(wèn)題變得容易。鎖服務(wù)可以分為兩類(lèi),一個(gè)是保持獨(dú)占,另一個(gè)是控制時(shí)序。 

    對(duì)于第一類(lèi),我們將zookeeper上的一個(gè)znode看作是一把鎖,通過(guò)createznode的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。所有客戶(hù)端都去創(chuàng)建 /distribute_lock 節(jié)點(diǎn),最終成功創(chuàng)建的那個(gè)客戶(hù)端也即擁有了這把鎖。用完刪除掉自己創(chuàng)建的distribute_lock 節(jié)點(diǎn)就釋放出鎖。 

    對(duì)于第二類(lèi), /distribute_lock 已經(jīng)預(yù)先存在,所有客戶(hù)端在它下面創(chuàng)建臨時(shí)順序編號(hào)目錄節(jié)點(diǎn),和選master一樣,編號(hào)最小的獲得鎖,用完刪除,依次方便。

     

    10.Zookeeper隊(duì)列管理

    兩種類(lèi)型的隊(duì)列:

    1、同步隊(duì)列,當(dāng)一個(gè)隊(duì)列的成員都聚齊時(shí),這個(gè)隊(duì)列才可用,否則一直等待所有成員到達(dá)。 

    2、隊(duì)列按照 FIFO 方式進(jìn)行入隊(duì)和出隊(duì)操作。 

    第一類(lèi),在約定目錄下創(chuàng)建臨時(shí)目錄節(jié)點(diǎn),監(jiān)聽(tīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目是否是我們要求的數(shù)目。 

    第二類(lèi),和分布式鎖服務(wù)中的控制時(shí)序場(chǎng)景基本原理一致,入列有編號(hào),出列按編號(hào)。

    11.分布式與數(shù)據(jù)復(fù)制

    Zookeeper作為一個(gè)集群提供一致的數(shù)據(jù)服務(wù),自然,它要在所有機(jī)器間做數(shù)據(jù)復(fù)制。數(shù)據(jù)復(fù)制的好處: 

    1、容錯(cuò):一個(gè)節(jié)點(diǎn)出錯(cuò),不致于讓整個(gè)系統(tǒng)停止工作,別的節(jié)點(diǎn)可以接管它的工作; 

    2、提高系統(tǒng)的擴(kuò)展能力:把負(fù)載分布到多個(gè)節(jié)點(diǎn)上,或者增加節(jié)點(diǎn)來(lái)提高系統(tǒng)的負(fù)載能力; 

    3、提高性能:讓客戶(hù)端本地訪(fǎng)問(wèn)就近的節(jié)點(diǎn),提高用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)速度。 

    從客戶(hù)端讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)的透明度來(lái)看,數(shù)據(jù)復(fù)制集群系統(tǒng)分下面兩種: 

    1、寫(xiě)主(WriteMaster) :對(duì)數(shù)據(jù)的修改提交給指定的節(jié)點(diǎn)。讀無(wú)此限制,可以讀取任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這種情況下客戶(hù)端需要對(duì)讀與寫(xiě)進(jìn)行區(qū)別,俗稱(chēng)讀寫(xiě)分離; 

    2、寫(xiě)任意(Write Any):對(duì)數(shù)據(jù)的修改可提交給任意的節(jié)點(diǎn),跟讀一樣。這種情況下,客戶(hù)端對(duì)集群節(jié)點(diǎn)的角色與變化透明。

    對(duì)zookeeper來(lái)說(shuō),它采用的方式是寫(xiě)任意。通過(guò)增加機(jī)器,它的讀吞吐能力和響應(yīng)能力擴(kuò)展性非常好,而寫(xiě),隨著機(jī)器的增多吞吐能力肯定下降(這也是它建立observer的原因),而響應(yīng)能力則取決于具體實(shí)現(xiàn)方式,是延遲復(fù)制保持最終一致性,還是立即復(fù)制快速響應(yīng)。

    12.Zookeeper角色描述

     

    13.Zookeeper與客戶(hù)端

     

    14.Zookeeper設(shè)計(jì)目的

    1.最終一致性:client不論連接到哪個(gè)Server,展示給它都是同一個(gè)視圖,這是zookeeper最重要的性能。 

    2.可靠性:具有簡(jiǎn)單、健壯、良好的性能,如果消息被到一臺(tái)服務(wù)器接受,那么它將被所有的服務(wù)器接受。 

    3.實(shí)時(shí)性:Zookeeper保證客戶(hù)端將在一個(gè)時(shí)間間隔范圍內(nèi)獲得服務(wù)器的更新信息,或者服務(wù)器失效的信息。但由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等原因,Zookeeper不能保證兩個(gè)客戶(hù)端能同時(shí)得到剛更新的數(shù)據(jù),如果需要最新數(shù)據(jù),應(yīng)該在讀數(shù)據(jù)之前調(diào)用sync()接口。 

    4.等待無(wú)關(guān)(wait-free):慢的或者失效的client不得干預(yù)快速的client的請(qǐng)求,使得每個(gè)client都能有效的等待。 

    5.原子性:更新只能成功或者失敗,沒(méi)有中間狀態(tài)。 

    6.順序性:包括全局有序和偏序兩種:全局有序是指如果在一臺(tái)服務(wù)器上消息a在消息b前發(fā)布,則在所有Server上消息a都將在消息b前被發(fā)布;偏序是指如果一個(gè)消息b在消息a后被同一個(gè)發(fā)送者發(fā)布,a必將排在b前面。 

    15.Zookeeper工作原理

    Zookeeper 的核心是原子廣播,這個(gè)機(jī)制保證了各個(gè)Server之間的同步。實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制的協(xié)議叫做Zab協(xié)議。Zab協(xié)議有兩種模式,它們分別是恢復(fù)模式(選主)和廣播模式(同步)。當(dāng)服務(wù)啟動(dòng)或者在領(lǐng)導(dǎo)者崩潰后,Zab就進(jìn)入了恢復(fù)模式,當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)者被選舉出來(lái),且大多數(shù)Server完成了和 leader的狀態(tài)同步以后,恢復(fù)模式就結(jié)束了。狀態(tài)同步保證了leader和Server具有相同的系統(tǒng)狀態(tài)。 

    為了保證事務(wù)的順序一致性,zookeeper采用了遞增的事務(wù)id號(hào)(zxid)來(lái)標(biāo)識(shí)事務(wù)。所有的提議(proposal)都在被提出的時(shí)候加上了zxid。實(shí)現(xiàn)中zxid是一個(gè)64位的數(shù)字,它高32位是epoch用來(lái)標(biāo)識(shí)leader關(guān)系是否改變,每次一個(gè)leader被選出來(lái),它都會(huì)有一個(gè)新的epoch,標(biāo)識(shí)當(dāng)前屬于那個(gè)leader的統(tǒng)治時(shí)期。低32位用于遞增計(jì)數(shù)。

    16.Zookeeper下Server工作狀態(tài)

    每個(gè)Server在工作過(guò)程中有三種狀態(tài): 

    LOOKING:當(dāng)前Server不知道leader是誰(shuí),正在搜尋

    LEADING:當(dāng)前Server即為選舉出來(lái)的leader

    FOLLOWING:leader已經(jīng)選舉出來(lái),當(dāng)前Server與之同步

    17.Zookeeper選主流程baiscpaxos

    當(dāng)leader崩潰或者leader失去大多數(shù)的follower,這時(shí)候zk進(jìn)入恢復(fù)模式,恢復(fù)模式需要重新選舉出一個(gè)新的leader,讓所有的Server都恢復(fù)到一個(gè)正確的狀態(tài)。Zk的選舉算法有兩種:一種是基于basic paxos實(shí)現(xiàn)的,另外一種是基于fast paxos算法實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)默認(rèn)的選舉算法為fast paxos。

    1.選舉線(xiàn)程由當(dāng)前Server發(fā)起選舉的線(xiàn)程擔(dān)任,其主要功能是對(duì)投票結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并選出推薦的Server; 

    2.選舉線(xiàn)程首先向所有Server發(fā)起一次詢(xún)問(wèn)(包括自己); 

    3.選舉線(xiàn)程收到回復(fù)后,驗(yàn)證是否是自己發(fā)起的詢(xún)問(wèn)(驗(yàn)證zxid是否一致),然后獲取對(duì)方的id(myid),并存儲(chǔ)到當(dāng)前詢(xún)問(wèn)對(duì)象列表中,最后獲取對(duì)方提議的leader相關(guān)信息(id,zxid),并將這些信息存儲(chǔ)到當(dāng)次選舉的投票記錄表中; 

    4.收到所有Server回復(fù)以后,就計(jì)算出zxid最大的那個(gè)Server,并將這個(gè)Server相關(guān)信息設(shè)置成下一次要投票的Server; 

    5.線(xiàn)程將當(dāng)前zxid最大的Server設(shè)置為當(dāng)前Server要推薦的Leader,如果此時(shí)獲勝的Server獲得n/2 + 1的Server票數(shù),設(shè)置當(dāng)前推薦的leader為獲勝的Server,將根據(jù)獲勝的Server相關(guān)信息設(shè)置自己的狀態(tài),否則,繼續(xù)這個(gè)過(guò)程,直到leader被選舉出來(lái)。 通過(guò)流程分析我們可以得出:要使Leader獲得多數(shù)Server的支持,則Server總數(shù)必須是奇數(shù)2n+1,且存活的Server的數(shù)目不得少于n+1. 每個(gè)Server啟動(dòng)后都會(huì)重復(fù)以上流程。在恢復(fù)模式下,如果是剛從崩潰狀態(tài)恢復(fù)的或者剛啟動(dòng)的server還會(huì)從磁盤(pán)快照中恢復(fù)數(shù)據(jù)和會(huì)話(huà)信息,zk會(huì)記錄事務(wù)日志并定期進(jìn)行快照,方便在恢復(fù)時(shí)進(jìn)行狀態(tài)恢復(fù)。選主的具體流程圖所示: 

     

    18.Zookeeeper選主流程fastpaxos

    fast paxos流程是在選舉過(guò)程中,某Server首先向所有Server提議自己要成為leader,當(dāng)其它Server收到提議以后,解決epoch和 zxid的沖突,并接受對(duì)方的提議,然后向?qū)Ψ桨l(fā)送接受提議完成的消息,重復(fù)這個(gè)流程,最后一定能選舉出Leader。

     

    19.Zookeeper同步流程

    選完Leader以后,zk就進(jìn)入狀態(tài)同步過(guò)程。 

    1. Leader等待server連接; 

    2 .Follower連接leader,將最大的zxid發(fā)送給leader; 

    3 .Leader根據(jù)follower的zxid確定同步點(diǎn); 

    4 .完成同步后通知follower 已經(jīng)成為uptodate狀態(tài); 

    5 .Follower收到uptodate消息后,又可以重新接受client的請(qǐng)求進(jìn)行服務(wù)了。

     

    20.Zookeeper工作流程-Leader

    1 .恢復(fù)數(shù)據(jù); 

    2 .維持與Learner的心跳,接收Learner請(qǐng)求并判斷Learner的請(qǐng)求消息類(lèi)型; 

    3 .Learner的消息類(lèi)型主要有PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息,根據(jù)不同的消息類(lèi)型,進(jìn)行不同的處理。 

    PING 消息是指Learner的心跳信息;

    REQUEST消息是Follower發(fā)送的提議信息,包括寫(xiě)請(qǐng)求及同步請(qǐng)求;

    ACK消息是 Follower的對(duì)提議的回復(fù),超過(guò)半數(shù)的Follower通過(guò),則commit該提議;

    REVALIDATE消息是用來(lái)延長(zhǎng)SESSION有效時(shí)間。

     

    21.Zookeeper工作流程-Follower

    Follower主要有四個(gè)功能: 

    1.向Leader發(fā)送請(qǐng)求(PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息); 

    2.接收Leader消息并進(jìn)行處理; 

    3.接收Client的請(qǐng)求,如果為寫(xiě)請(qǐng)求,發(fā)送給Leader進(jìn)行投票;

    4.返回Client結(jié)果。 

    Follower的消息循環(huán)處理如下幾種來(lái)自L(fǎng)eader的消息: 

    1 .PING消息: 心跳消息; 

    2 .PROPOSAL消息:Leader發(fā)起的提案,要求Follower投票; 

    3 .COMMIT消息:服務(wù)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:根據(jù)Leader的REVALIDATE結(jié)果,關(guān)閉待revalidate的session還是允許其接受消息; 

    6 .SYNC消息:返回SYNC結(jié)果到客戶(hù)端,這個(gè)消息最初由客戶(hù)端發(fā)起,用來(lái)強(qiáng)制得到最新的更新。