ZooKeeper分布式协调框架

1. 为什么要用ZooKeeper

ZooKeeper简单易用，能够很好的解决分布式框架在运行中，出现的各种协调问题。比如集群master主备切换、节点的上下线感知等等

2. 什么是ZooKeeper?

ZooKeeper是一个分布式的，开放源码的，用于分布式应用程序的协调服务（service）；是Google的Chubby的一个开源实现版

3. ZooKeeper应用概览

service

攘其外，安其内

简单：原语

paxos -> raft -> zab

1. 回顾：HDFS HA方案

   ZooKeeper中三个重要的逻辑：注册、监听事件、回调函数

• 举例类比：旅客住店流程
  
• NameNode + ZooKeeper

关键逻辑：注册、监听事件、回调函数

3.1 ZooKeeper之攘其外

ZooKeeper服务端有两种不同的运行模式。单机的称为"独立模式"(standalone mode)；集群的称为“仲裁模式(quorum mode)”

• 主从架构：Master + Slave

• 客户端读

• 客户端写：类比存钱
  
  

• leader在通知follower执行某条命令时，如何保障每个follower都收到，并执行呢？

  队列结构

  CAP：Consistency一致性；Availability可用性；Partition Tolerance分区容错；三选二
  

3.2 ZooKeeper之安其内

1. 思考一下这个架构有什么问题？
   

• leader很重要？如果挂了怎么办？开始选举新的leader

2. ZooKeeper服务器四种状态：

• looking：服务器处于寻找Leader群首的状态

• leading：服务器作为群首时的状态

• following：服务器作为follower跟随者时的状态

• observing：服务器作为观察者时的状态

leader选举分两种情况

• 集群初始启动时

• 集群运行中leader挂了时

3. 集群启动时的Leader选举
   

• 以3台机器组成的ZooKeeper集群为例

• 原则：集群中过半数Server启动后，才能选举出Leader；

• 此处quorum数是多少？

• 每个server投票信息vote信息结构为(sid, zxid)；

  ​ server1~3初始投票信息分别为：

  ​ server1 -> (1, 0)
  ​ server2 -> (2, 0)
  ​ server3 -> (3, 0)

• leader选举公式：

  ​ server1 (zxid1, sid1)

  ​ server2 (zxid2, sid2)

  ​ zxid大的server胜出；若zxid相等，再根据判断sid判断，sid大的胜出

• 流程：

  • ZK1和ZK2票投给自己；ZK1的投票为(1, 0)，ZK2的投票为(2, 0)，并各自将投票信息分发给其他机器。

  • 处理投票。每个server将收到的投票和自己的投票对比；ZK1更新自己的投票为(2, 0)，并将投票重新发送给ZK2。

  • 统计投票。server统计投票信息，是否有半数server投同一个服务器为leader；

  • 改变服务器状态。确定Leader后，各服务器更新自己的状态，Follower变为FOLLOWING；Leader变为LEADING。

  • 当K3启动时，发现已有Leader，不再选举，直接从LOOKING改为FOLLOWING。

4. 集群运行时新leader选举

   

3.3 难点|考点

• 什么是仲裁quorum？

• 为什么要仲裁？

• quorum数如何选择？ 集群节点数 / 2 + 1

• 网络分区、脑裂

  • 网络分区：网络通信故障，集群被分成了2部分

  • 脑裂：原leader处于一个分区；另外一个分区选举出新的leader -> 2个leader

    raft算法动图地址：http://thesecretlivesofdata.com/raft/#replication

    以下以raft为例；zab与raft相似（1、zab心跳从follower到leader；2、任期叫epoch）

• 仲裁模式下，服务器数量最好为奇数个。why?
  

4. ZooKeeper使用初体验（10分钟）

4.1 zkCli命令行

• 启动集群（每个节点运行此命令）
  

# 启动ZooKeeper集群；在ZooKeeper集群中的每个节点执行以下命令
${ZK_HOME}/bin/zkServer.sh start
# 停止ZooKeeper集群
${ZK_HOME}/bin/zkServer.sh stop
# 查看集群状态#
${ZK_HOME}/bin/zkServer.sh status

• 客户端连接zkServer
  

# 使用ZooKeeper自带的脚本，连接ZooKeeper的服务器
zkCli.sh -server node-01:2181,node-02:2181,node-03:2181

• 客户端发出读写请求
  

ls /

create /kkb	kkb

get

set

delete

4.2 java API编程

IDE可以是eclipse，或IDEA；此处以IDEA演示

5.基本概念和操作（15分钟）

分布式通信有几种方式，1、直接通过网络连接的方式进行通信；2、通过共享存储的方式，来进行通信或数据的传输。

5.1 ZooKeeper数据结构

• ZooKeeper所提供的服务主要是通过以下三个部分来实现的

  ZooKeeper=简版文件系统(Znode)+原语+通知机制(Watcher)。
  

5.3 数据节点ZNode

5.3.1 什么是ZNode

ZNode 分为两类：持久节点、临时节点

5.3.2 持久节点

类比，文件夹

# 创建节点/zk_test，并设置数据my_data
create /zk_test my_data
# 显示的删除永久节点
delete /zk_test

5.3.3 临时节点

临时节点的生命周期跟客户端会话session绑定，一旦会话失效，临时节点被删除。

# client1上创建临时节点
create -e /tmp tmpdata

# client2上查看client1创建的临时节点
ls /

# client1断开连接
close

# client2上观察现象，发现临时节点被自动删除
ls /

5.3.4 有序节点

ZNode也可以设置为有序节点

为什么设计临时节点？

• 创建节点时，可添加一个特殊的属性：SEQUENTIAL。

• 一旦节点被标记上这个属性，那么在这个节点被创建时，ZooKeeper 就会自动在其节点后面追加上一个整型数字

• 这个整数是一个由父节点维护的自增数字。

• 提供了创建唯一名字的ZNode的方式

  # 创建持久、有序节点
  create -s /test01 test01-data
  # Created /test010000000009
  

5.4 Watcher监视与通知

5.4.1 为什么要有Watcher

问：客户端如何获取ZooKeeper服务器上的最新数据？

• 方式一轮询：ZooKeeper以远程服务的方式，被客户端访问；客户端以轮询的方式获得znode数据，效率会比较低（代价比较大）
  

• 方式二基于通知的机制：客户端在znode上注册一个Watcher监视器，当znode上数据出现变化，watcher监测到此变化，通知客户端
  

• 对比，那种好？

5.4.2 什么是Watcher?

客户端在服务器端，注册的事件监听器；

watcher用于监听znode上的某些事件，比如znode数据修改、节点增删等；当监听到事件后，watcher会触发通知客户端

5.4.3 如何设置Watcher

注意：Watcher是一个单次触发的操作

1. 可以设置watcher的命令如下：

5.4.4 示例1

#ls path [watch]
#node-01 上执行
ls /zk_test watch

#node-02 上执行

create /zk_test/dir01 dir01-data

#观察node-01上变化

[zk: node-01:2181,node-02:2181,node-03:2181(CONNECTED) 87] 
WATCHER::

WatchedEvent state:SyncConnected type:NodeChildrenChanged path:/zk_test

图示：

• client1上执行步骤1

• client2上执行步骤2；

• client1上观察现象3
  

5.4.5 示例2

#监控节点数据的变化；
#node2上
get /zk_test watch
#node3上
set /zk_test "junk01"
#观察node2上cli的输出，检测到变化

4. 示例3：节点上下线监控

1）原理：

1. 节点1（client1）创建临时节点
2. 节点2（client2）在临时节点，注册监听器watcher
3. 当client1与zk集群断开连接，临时节点会被删除
4. watcher发送消息，通知client2，临时节点被删除的事件

2）用到的zk特性：

1. Watcher+临时节点

3）好处：

1. 通过这种方式，检测和被检测系统不需要直接关联（如client1与client2），而是通过ZK上的某个节点进行关联，大大减少了系统耦合。

4）实现：

1. client1操作

   # 创建临时节点
   create -e /zk_tmp tmp-data
   

2. client2操作

   # 在/zk_tmp注册监听器
   ls /zk_tmp watch
   

3. client1操作

   # 模拟节点下线
   close
   

4. 观察client2

   WATCHER::
   
   WatchedEvent state:SyncConnected type:NodeDeleted path:/zk_tmp
   

5）图示：

client1：

client2：

5.5 会话（Session)

5.5.1 什么是会话

客户端与某一服务器建立TCP长连接，建立一个会话Session。

SessionTimeout

5.5.2 会话的特点

• 客户端打开一个Session中的请求以FIFO（先进先出）的顺序执行；

• 若打开两个Session，无法保证Session间，请求FIFO执行

5.5.3 会话的生命周期

5.6 请求

读写请求

5.7 事务zxid

增删改的操作，会形成一次事务。

ACID：原子性atomicity | 一致性consistency | 隔离性isolation | 持久性durability

每个事务有一个全局唯一的事务ID，用 ZXID 表示；

ZXID通常是一个64位的数字。由epoch+counter组成

6. ZooKeeper工作原理（5分钟）

ZooKeeper使用原子广播协议叫做Zab(ZooKeeper Automic Broadcast)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）

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，所有提议（proposal）都有zxid

6.1写操作流程图

1. 在Client向Follwer发出一个写的请求
2. Follwer把请求发送给Leader
3. Leader接收到以后开始发起投票并通知Follwer进行投票
4. Follwer把投票结果发送给Leader
5. Leader将结果汇总后如果需要写入，则开始写入同时把写入操作通知给Follwer，然后commit
6. Follwer把请求结果返回给Client

6.2 ZooKeeper状态同步

完成leader选举后，zk就进入ZooKeeper之间状态同步过程

1. leader等待server连接；
2. Follower连接leader，将最大的zxid发送给leader；
3. Leader根据follower的zxid确定同步点；
4. 完成同步后通知follower 已经成为uptodate状态；
5. Follower收到uptodate消息后，又可以重新接受client的请求进行服务了。
   

7. ZooKeeper典型应用案例（5分钟）

1. NameNode使用ZooKeeper实现高可用.

2. Yarn ResourceManager使用ZooKeeper实现高可用.

3. 利用ZooKeeper对HBase集群做高可用配置

4. kafka使用ZooKeeper

   • 保存消息消费信息比如offset.

   • 用于检测崩溃

   • 主题topic发现

   • 保持主题的生产和消费状态

8.编程案例

8.1 原生curd

见代码

8.2 curator编程

对ZooKeeper的api做了封装，提供简单易用的api；它的风格是curator链式编程

参考《使用curator做zk编程》

拓展点

1. ZooKeeper常见应用场景
   

2. 分布式锁
   

3. 访问控制ACL

   参考《访问控制ACL》

六、总结（10分钟）