ZooKeeper
ZooKeeper是一个分布式的,开放源码的分布式应用程序协调服务,是Hadoop和Hbase的重要组件,为分布式应用提供一致性服务的软件。
ZooKeeper是以Fast Paxos算法为基础,实现同步服务,配置维护和命名服务等分布式应用。
ZooKeeper为分布式系统提供了高效可靠且易于使用的协同服务,可以为分布式应用提供相当多的服务,诸如统一命名服务、状态同步服务、集群管理、分布式应用配置项的管理和组服务等。
1.ZooKeeper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。
2.ZooKeeper数据模型
ZooKeeper的数据模型有些像操作系统的文件结构,如下图
(1) 每个节点在zookeeper中叫做znode,并且其有一个唯一的路径标识,如/SubApp1节点的标识就为/APP3/SubApp1
(2) Znode可以有子znode,并且znode里可以存数据,但是EPHEMERAL类型的节点不能有子节点
(3) 每个Znode维护着一个属性结构,它包含着版本号,ACL变更(访问控制),时间戳等元数据信息
(4) Znode是具有层次结构、可共享的、结构与文件系统的目录结构类似
3.Znode特性
(1) watches:
客户端可以在节点上设置watch(我们成为监视器)。当节点的状态发生改变时(数据的增、删、改等操作)将会触发watch对应的操作。当watch被触发时
ZooKeeper将会向客户端发送仅发送一个通知,因为watch只能被触发一次。
(2) 数据访问
ZooKeeper中的每个节点上存储的数据需要被原子性的操作。也就是说,读操作将获取与节点相关的所有数据,写操作也将替换节点的所有数据。另外
每一个节点拥有自己的ACL(访问控制列表),这个列表规定的用户的权限,即限定了特定用户对目标节点可以执行的操作。
(3) 临时节点
ZooKeeper中的节点有两种,分别为临时节点和永久节点。节点的类型在创建时即被确定,并且不能改变。ZooKeeper临时节点的生命周期依赖于创建
于它们的会话。一旦会话结束,临时节点将被自动删除,当然也可以手动删除。另外,需要注意的是,ZooKeeper的临时节点不允许拥有子节点。相反
永久节点的生命周期不依赖与会话,并且只有在客户端显示执行删除操作的时候,它们才被删除。
(4) 顺序节点(唯一性的保证)
当创建Znode的时候,用户可以请求ZooKeeper生出序列,一路径名为前缀,连击数起紧接在路径名后面。
4.Znode属性结构
ZooKeeper中使用Zxid来表示每次节点数据变更,一个Zxid与一个时间戳对应,所以多个不同的变更对应的事务是有序的。下面是Znode的组成结构:
czxid 节点被创建的Zxid值
mzxid 节点被修改的Zxid值
ctime 节点被创建的时间
mtime 节点最后一次被修改的时间
versoin 节点被修改的版本号
cversion 节点的所拥有子节点被修改的版本号
aversion 节点的ACL被修改的版本号
emphemeralOwner 如果此节点为临时节点,那么它的值为这个节点拥有者的会话ID;否则,它的值为0
dataLength 节点数据域的长度
numChildren 节点拥有的子节点个数
5.ZooKeeper系统模型
- 客户端可以连接到每个server,每个server的数据完全相同。
- 每个follower都和leader有连接,接受leader的数据更新操作。
- Server记录事务日志和快照到持久存储。
- 大多数server可用,整体服务就可用。
6.ZooKeeper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
7.Zookeeper工作流程--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
(1) basic paxos流程 (2) fast paxos流程
8.Zookeeper工作流程--同步流程
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:
9.Leader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:
10.Follower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:
11.Zookeeper应用场景
数据发布于订阅(配置中心)
负载均衡
命名服务
分布式通知/协调
集群管理与master选举
集群机器监控
分布式锁
资料:
安装和使用:http://www.ibm.com/developerworks/cn/opensource/os-cn-zookeeper/
源码:http://www.csdn.net/tag/zookeeper/download