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From yan on 2017-08-24 12:51:13

初始ZooKeeper(一)

ZooKeeper是一个分布式的,开放源码的分布式应用程序协调服务。目的是提供一种可靠的、可扩展的、分布式的、可配置的协调机制来统一系统的状态。原理:通知机制(观察者模式) + 文件系统。集群大小:奇数最好,选举条件是要求超过总数的一半。

1 介绍


简单来说,zookeeper = 通知机制 + 文件系统。

1.1 通知机制


有些类似观察者模式,订阅消息之后在发送变化时候进行通知。

客户端注册监听它关心的目录节点,当目录节点发生变化,如数据改变、被删除、子目录节点增加删除时,zookeeper会通知客户端。 这时客户端就可以根据传过来的信息采取一系列的操作。

1.2 文件系统


zookeeper维护一个如下图的文件结构

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2 基本概念


<img class="alignnone size-full wp-image-1634" src="http://www.i3geek.com/wp-content/uploads/2017/08/08171345_l5K3.jpg" width="559" height="275" />





角色
描述


服务器Server
领导者Leader
负责投票的发起和决议,更新系统状态


学习者Learner
跟随者Follower
接收客户端请求并返回结果,参与投票


观察者Observer
将写请求转发给Leader。不参与投票,只leader同步状态。目的是为了扩展系统提高读取速度。


客户端Client
请求发起方





3 特点



  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。


4 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。

为了保证事务的一致性,采用了递增的事务 id号(zxid)来表示事务。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。

4.1 选主流程


进入条件:

  1. 系统刚刚启动

  2. leader崩溃

  3. leader失去大多数的follower


目的:选举出一个新的Leader

方法:basic paxos和fast paxos(默认)
4.1.1 basic paxos
<img class="alignnone size-full wp-image-1635" src="http://www.i3geek.com/wp-content/uploads/2017/08/08171345_J3LF.jpg" width="357" height="791" />
4.1.2 fast paxos
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4.2 同步流程


选完leader以后,zk就进入同步过程。

<img class="alignnone size-full wp-image-1637" src="http://www.i3geek.com/wp-content/uploads/2017/08/08171346_oExa.jpg" width="379" height="141" />

4.3 工作流程


4.3.1 Leader
主要功能:


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。


<img class="alignnone size-full wp-image-1638" src="http://www.i3geek.com/wp-content/uploads/2017/08/08171346_87iA.jpg" width="425" height="594" />


4.3.2 Follower
功能:

消息类型:

 <img class="alignnone size-full wp-image-1639" src="http://www.i3geek.com/wp-content/uploads/2017/08/08171346_slOJ.jpg" width="555" height="209" />
4.3.3 observer
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

4.4 工作流程示例


4.4.1 写操作
写操作时,请求发给某server,再由server转发给leader,leader给每个server发送投票消息,每个server把投票结果传给leader,要是有半数server同意此请求,leader就会commit到每个服务器执行写操作,流程如下:

<img class="aligncenter size-full wp-image-1640" src="http://www.i3geek.com/wp-content/uploads/2017/08/v2-7249ddfa2b30da5389b37ae5f2e65ff6_b.png" alt="" width="600" height="432" />
4.4.2 某一follower挂掉
一个follower挂了,修复好之后会和leader通过一致性协议修复follower数据,达到每个server上数据最终一致

5 相关问题


5.1 为什么节点的个数要求是奇数?


集群中只要有过半的机器是正常工作的,那么整个集群对外就是可用的。假设有2个节点,则如果挂掉1个节点,整个集群不可工作,即容忍度为0;假设有3个节点,则如果挂掉1个节点,整个集群正常的仍过半,仍然可以工作,即容忍度为1. 因此 2n和2n-1的容忍度是一样的,都是n-1,所以为了更高效应该为奇数。

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