初始ZooKeeper(一)

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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

2 基本概念

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

4.1.2 fast paxos

4.2 同步流程

选完leader以后,zk就进入同步过程。

4.3 工作流程

4.3.1 Leader

主要功能:
  • 恢复数据
  • 维持与Learner的心跳,接收Learner请求并判断Learner的请求消息类型;
  • 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。

4.3.2 Follower

功能:

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

消息类型:

  • PING消息: 心跳消息
  • PROPOSAL消息:Leader发起的提案,要求Follower投票;
  • COMMIT消息:服务器端最新一次提案的信息;
  • UPTODATE消息:表明同步完成;
  • 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;
  • 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。
 

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:

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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