zookeeper工作原理、安装配置、工具命令简介

1 Zookeeper简介
Zookeeper 是分布式服务框架，主要是用来解决分布式应用中经常遇到的一些数据管理问题，如：统一命名服务、状态同步服务、集群管理、分布式应用配置项的管理等等。
2 zookeeper基本概念
2.1角色
Zookeeper中的角色主要有以下三类，如下表所示：



系统模型如图所示：



2.2设计目的
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。
3 zookeeper工作原理
Zookeeper 的核心是广播，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。
3.1 选主流程
当 leader崩溃或者leader失去大多数的follower，这时候zk进入恢复模式，恢复模式需要重新选举出一个新的leader，让所有的 Server都恢复到一个正确的状态。Zk的选举算法有两种：一种是基于basic paxos实现的，另外一种是基于fast paxos算法实现的。系统默认的选举算法为fast paxos。
basic paxos流程：
1 .选举线程由当前Server发起选举的线程担任，其主要功能是对投票结果进行统计，并选出推荐的Server；
2 .选举线程首先向所有Server发起一次询问(包括自己)；
3 .选举线程收到回复后，验证是否是自己发起的询问(验证zxid是否一致)，然后获取对方的id(myid)，并存储到当前询问对象列表中，最后获取对方提议的leader相关信息(id,zxid)，并将这些信息存储到当次选举的投票记录表中；
4. 收到所有Server回复以后，就计算出zxid最大的那个Server，并将这个Server相关信息设置成下一次要投票的Server；
5. 线程将当前zxid最大的Server设置为当前Server要推荐的Leader，如果此时获胜的Server获得n/2 + 1的Server票数， 设置当前推荐的leader为获胜的Server，将根据获胜的Server相关信息设置自己的状态，否则，继续这个过程，直到leader被选举出来。
通 过流程分析我们可以得出：要使Leader获得多数Server的支持，则Server总数必须是奇数2n+1，且存活的Server的数目不得少于 n+1.每个Server启动后都会重复以上流程。在恢复模式下，如果是刚从崩溃状态恢复的或者刚启动的server还会从磁盘快照中恢复数据和会话信 息，zk会记录事务日志并定期进行快照，方便在恢复时进行状态恢复。
选主的具体流程图如下所示：



fast paxos流程是在选举过程中，某Server首先向所有Server提议自己要成为leader，当其它Server收到提议以后，解决epoch和 zxid的冲突，并接受对方的提议，然后向对方发送接受提议完成的消息，重复这个流程，最后一定能选举出Leader。其流程图如下所示：


3.2同步流程
选完leader以后，zk就进入状态同步过程。
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。
流程图如下所示：


3.3工作流程
3.3.1Leader工作流程
Leader主要有三个功能：
1 .恢复数据；
2 .维持与Learner的心跳，接收Learner请求并判断Learner的请求消息类型；
3 .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。
Leader的工作流程简图如下所示:


3.3.2Follower工作流程
Follower主要有四个功能：
1. 向Leader发送请求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）；
2 .接收Leader消息并进行处理；
3 .接收Client的请求，如果为写请求，发送给Leader进行投票；
4 .返回Client结果。
Follower的消息循环处理如下几种来自Leader的消息：
1 .PING消息： 心跳消息；
2 .PROPOSAL消息：Leader发起的提案，要求Follower投票；
3 .COMMIT消息：服务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：根据Leader的REVALIDATE结果，关闭待revalidate的session还是允许其接受消息；
6 .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。
Follower的工作流程简图如下所示：


4 zookeeper安装配置
ZooKeeper的安装模式分为三种，分别为：单机模式（stand-alone）、集群模式和集群伪
分布模式。
4.1单机模式
下载zookeeper的安装包之后, 解压到合适目录. 进入zookeeper目录下的conf子目录, 创建zoo.cfg:
tickTime=2000
dataDir=/Users/apple/zookeeper/data
dataLogDir=/Users/apple/zookeeper/logs
clientPort=4180
参数说明:
tickTime: zookeeper中使用的基本时间单位, 毫秒值.
dataDir: 数据目录. 可以是任意目录.
dataLogDir: log目录, 同样可以是任意目录. 如果没有设置该参数, 将使用和dataDir相同的设置.
clientPort: 监听client连接的端口号
4.2伪集群模式
所谓伪集群, 是指在单台机器中启动多个zookeeper进程, 并组成一个集群. 以启动3个zookeeper进程为例.
将zookeeper的目录拷贝2份:
zookeeper0/conf/zoo.cfg文件为:
tickTime=2000
initLimit=5
syncLimit=2
dataDir=/Users/apple/zookeeper0/data
dataLogDir=/Users/apple/zookeeper0/logs
clientPort=4180
server.0=127.0.0.1:8880:7770
server.1=127.0.0.1:8881:7771
server.2=127.0.0.1:8882:7772
新增了几个参数, 其含义如下:
1 initLimit: zookeeper集群中的包含多台server, 其中一台为leader, 集群中其余的server为follower. initLimit参数配置初始化连接时, follower和leader之间的最长心跳时间. 此时该参数设置为5, 说明时间限制为5倍tickTime, 即5*2000=10000ms=10s.
2 syncLimit: 该参数配置leader和follower之间发送消息, 请求和应答的最大时间长度. 此时该参数设置为2, 说明时间限制为2倍tickTime, 即4000ms.
3 server.X=A:B:C 其中X是一个数字, 表示这是第几号server. A是该server所在的IP地址. B配置该server和集群中的leader交换消息所使用的端口. C配置选举leader时所使用的端口. 由于配置的是伪集群模式, 所以各个server的B, C参数必须不同.
参照zookeeper0/conf/zoo.cfg, 配置zookeeper1/conf/zoo.cfg, 和zookeeper2/conf/zoo.cfg文件. 只需更改dataDir, dataLogDir, clientPort参数即可.

在之前设置的dataDir中新建myid文件, 写入一个数字, 该数字表示这是第几号server. 该数字必须和zoo.cfg文件中的server.X中的X一一对应.
/Users/apple/zookeeper0/data/myid文件中写入0, /Users/apple/zookeeper1/data/myid文件中写入1, /Users/apple/zookeeper2/data/myid文件中写入2.

分别进入/Users/apple/zookeeper0/bin, /Users/apple/zookeeper1/bin, /Users/apple/zookeeper2/bin三个目录, 启动server.
4.3集群模式
集群模式的配置和伪集群基本一致.
由于集群模式下, 各server部署在不同的机器上, 因此各server的conf/zoo.cfg文件可以完全一样.
下面是一个示例:
tickTime=2000
initLimit=5
syncLimit=2
dataDir=/home/zookeeper/data
dataLogDir=/home/zookeeper/logs
clientPort=4180
server.43=10.1.39.43:2888:3888
server.47=10.1.39.47:2888:3888
server.48=10.1.39.48:2888:3888
示 例中部署了3台zookeeper server, 分别部署在10.1.39.43, 10.1.39.47, 10.1.39.48上. 需要注意的是, 各server的dataDir目录下的myid文件中的数字必须不同，10.1.39.43 server的myid为43, 10.1.39.47 server的myid为47, 10.1.39.48 server的myid为48.
5 zookeeper常用命令
ZooKeeper服务命令:
1. 启动ZK服务: ./zkServer.sh start
2. 查看ZK服务状态: ./zkServer.sh status
3. 停止ZK服务: ./zkServer.sh stop
4. 重启ZK服务: ./zkServer.sh restart
zk客户端命令：
ZooKeeper 命令行工具类似于Linux的shell环境，使用它可以对ZooKeeper进行访问，数据创建，数据修改等操作. 使用 zkCli.sh -server 127.0.0.1:2181 连接到 ZooKeeper 服务，连接成功后，系统会输出 ZooKeeper 的相关环境以及配置信息。
命令行工具的一些简单操作如下：
1. 显示根目录下、文件： ls / 使用 ls 命令来查看当前 ZooKeeper 中所包含的内容
2. 显示根目录下、文件： ls2 / 查看当前节点数据并能看到更新次数等数据
3. 创建文件，并设置初始内容： create /zk "test" 创建一个新的 znode节点“ zk ”以及与它关联的字符串
4. 获取文件内容： get /zk 确认 znode 是否包含我们所创建的字符串
5. 修改文件内容： set /zk "zkbak" 对 zk 所关联的字符串进行设置
6. 删除文件： delete /zk 将刚才创建的 znode 删除
7. 退出客户端： quit
8. 帮助命令： help
ZooKeeper 常用四字命令：
ZooKeeper 支持某些特定的四字命令字母与其的交互。它们大多是查询命令，用来获取 ZooKeeper 服务的当前状态及相关信息。用户在客户端可以通过 telnet 或 nc 向 ZooKeeper 提交相应的命令
1. 可以通过命令：echo stat|nc 127.0.0.1 2181 来查看哪个节点被选择作为follower或者leader
2. 使用echo ruok|nc 127.0.0.1 2181 测试是否启动了该Server，若回复imok表示已经启动。
3. echo dump| nc 127.0.0.1 2181 ,列出未经处理的会话和临时节点。
4. echo kill | nc 127.0.0.1 2181 ,关掉server
5. echo conf | nc 127.0.0.1 2181 ,输出相关服务配置的详细信息。
6. echo cons | nc 127.0.0.1 2181 ,列出所有连接到服务器的客户端的完全的连接 / 会话的详细信息。
7. echo envi |nc 127.0.0.1 2181 ,输出关于服务环境的详细信息（区别于 conf 命令）。
8. echo reqs | nc 127.0.0.1 2181 ,列出未经处理的请求。
9. echo wchs | nc 127.0.0.1 2181 ,列出服务器 watch 的详细信息。
10. echo wchc | nc 127.0.0.1 2181 ,通过 session 列出服务器 watch 的详细信息，它的输出是一个与 watch 相关的会话的列表。
11. echo wchp | nc 127.0.0.1 2181 ,通过路径列出服务器 watch 的详细信息。它输出一个与 session 相关的路径。