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Zookeeper工作原理

2018.11.13 13:08 1789浏览

Zookeeper是什么?想必马上想到的是一般在集群中监控集群的。那么zookeeper到底是什么?

ZooKeeper是用来保证数据在集群间的事务性一致。

Zookeeper提供了什么?

zookeeper=文件系统+通知机制

1.Zookeeper虚拟文件系统

Zookeeper维护一个类似文件系统的数据结构


20141108213344_45.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。

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。

事件的监听机制。

当我们想在ZooKeeper中建立节点、删除节点、修改节点值等时候,都会产生事件,注册了事件监听器的类,就可以获得这些事件。换句话说,只要ZooKeeper的节点变化了,那么数据肯定变化,那么注册器通过监控节点的变化就可以知道数据的变化。那么而这正是Zookeeper的无比强大之处。

Zk中数据的通知机制是通过对节点变化的监听机制实现的。

Zookeeper选举制度举例

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

目前有5台服务器,每台服务器均没有数据,它们的编号分别是1,2,3,4,5,按编号依次启动,它们的选择举过程如下:

  • 服务器1启动,给自己投票,然后发投票信息,由于其它机器还没有启动所以它收不到反馈信息,服务器1的状态一直属于Looking。

  • 服务器2启动,给自己投票,同时与之前启动的服务器1交换结果,由于服务器2的编号大所以服务器2胜出,但此时投票数没有大于半数,所以两个服务器的状态依然是LOOKING。

  • 服务器3启动,给自己投票,同时与之前启动的服务器1,2交换信息,由于服务器3的编号最大所以服务器3胜出,此时投票数正好大于半数,所以服务器3成为领导者,服务器1,2成为小弟。

  • 服务器4启动,给自己投票,同时与之前启动的服务器1,2,3交换信息,尽管服务器4的编号大,但之前服务器3已经胜出,所以服务器4只能成为小弟。

  • 服务器5启动,后面的逻辑同服务器4成为小弟。

用Zookeeper做什么?

1.命名服务

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。

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。

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。

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。

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。
我们关注的重点还是在如何保证数据在集群所有机器的一致性,这就涉及到paxos算法。

Zookeeper中的角色

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作者:张晓天a
链接:https://www.jianshu.com/p/1f456c66fb99


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