zookeeper集群原理简介

Posted 2023-04-12

参考技术A 以下举例三台集群的模型图：

当写数据的请求到达从节点的时候，请求会被转发到leader节点，由leader节点将数据同步到其他follower节点。所有的写操作有leader发起。

类似2PC（两阶段提交，需要等到所有节点返回ack），实际是ZAB协议的过半机制:
1、leader发起写事务给各个从节点，如上图的propose。
2、从节点收到写事务后，会对leader有一个应答ack。
3、leader收到半数以上的ack后（过半协议），发起事务提交commit。

当leader挂了，集群需要从其他的从节点选出一个新的leader。
在选举的过程中，有两个主要的信息：
1）myid：当前节点的id
2）zxid：当前事务的id
当选举发生时，需要去比较这两个信息的大小，选举的比较会发生很多轮，最终获胜的会被选举为leader。

如开篇图有三个节点，假设左侧节点的myid为1，leader的myid为2，右侧节点的myid为3。

当数据正在同步时发生了主节点宕机，这时候选举开始，可能存在以下情况：
左侧从节点可能存在的信息（myid，zxid）为：（1,101）；
右侧从节点可能存在的信息为：（3,102）；

这时候以上两个节点需要进行比较：
第一轮投票，所有的节点会优先投给自己，这时候投票比例是1:1，则需要对这两个节点的事务id进行pk比较，右侧节点的事务id大于左侧节点（事务id越大则表示数据越新，则丢失数据越少），左侧节点pk失败了，进行下一轮投票。
第二轮投票开始，由于左侧节点上一轮pk失败，所以此次也投票给了右侧节点，此时右侧获得两票，超过了半数，所以右侧节点成为新节点。

当事务id相同时,则比较myid，当myid越大，则权重越大。

1）leader选举原理（myid，zxid）
2）集群消息广播（类似2PC-两阶段提交，无需全部节点ack，过半即发起commit）

脑裂：当集群分布在不同机房时，机房间可能出现网络断开，这时候内部的节点是可以通信的，会导致每个机房内都选举出一个leader，导致脑裂。网络恢复后，就会有两个leader，数据如何合并，会导致问题。

奇数部署：过半机制
Quorums（ˈkwôrəm 法定人数） ，比如3个节点的集群，Quorums = 2, 也就是说集群可以容忍1个节点失效，这时候还能选举出1个lead，集群还可用。比如4个节点的集群，它的Quorums = 3，Quorums要超过3，相当于集群的容忍度还是1，如果2个节点失效，那么整个集群还是无效的

Zookeeper集群搭建

导读	由于公司缓存方案改进，准备采用codis集群作为主要的缓存解决方案（codis：国内豌豆荚开发的redis集群解决方案，已开源，github地址：https://github.com/CodisLabs/codis），codis集群依赖于zookeeper集群，本文介绍zookeeper集群的实现。

一、Zookeeper原理简介

ZooKeeper是一个开放源码的分布式应用程序协调服务，它包含一个简单的原语集，分布式应用程序可以基于它实现同步服务，配置维护和命名服务等。

Zookeeper设计目的

• 最终一致性：client不论连接到那个Server，展示给它的都是同一个视图。
• 可靠性：具有简单、健壮、良好的性能、如果消息m被到一台服务器接收，那么消息m将被所有服务器接收。
• 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。
• 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。
• 原子性：更新只能成功或者失败，没有中间状态。
• 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。

Zookeeper工作原理

1、在zookeeper的集群中，各个节点共有下面3种角色和4种状态：

角色：leader,follower,observer
状态：leading,following,observing,looking

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（ZooKeeper Atomic Broadcast protocol）。Zab协议有两种模式，它们分别是恢复模式（Recovery选主）和广播模式（Broadcast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4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。

OBSERVING：observer的行为在大多数情况下与follower完全一致，但是他们不参加选举和投票，而仅仅接受(observing)选举和投票的结果。

Zookeeper集群节点

• Zookeeper节点部署越多，服务的可靠性越高，建议部署奇数个节点，因为zookeeper集群是以宕机个数过半才会让整个集群宕机的。
• 需要给每个zookeeper 1G左右的内存，如果可能的话，最好有独立的磁盘，因为独立磁盘可以确保zookeeper是高性能的。如果你的集群负载很重，不要把zookeeper和RegionServer运行在同一台机器上面，就像DataNodes和TaskTrackers一样。

实验环境

主机名	系统	IP地址
linux-node1	CentOS release 6.8	192.168.1.148
linux-node2	CentOS release 6.8	192.168.1.149
linux-node2	CentOS release 6.8	192.168.1.150

二、Zookeeper安装

Zookeeper运行需要java环境，需要安装jdk，注：每台服务器上面都需要安装zookeeper、jdk，建议本地下载好需要的安装包然后上传到服务器上面，服务器上面下载速度太慢。

2.1、JDK安装

JDK下载地址：http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/index.html

rpm -ivh jdk-8u101-linux-x64.rpm

2.2、Zookeeper安装

Zookeeper链接：http://zookeeper.apache.org/

wget http://mirrors.cnnic.cn/apache/zookeeper/zookeeper-3.4.8/zookeeper-3.4.8.tar.gz -P /usr/local/src/
tar zxvf zookeeper-3.4.8.tar.gz -C /opt
cd /opt && mv zookeeper-3.4.8 zookeeper
cd zookeeper
cp conf/zoo_sample.cfg conf/zoo.cfg

#把zookeeper加入到环境变量

echo -e "# append zk_env\\nexport PATH=$PATH:/opt/zookeeper/bin" >> /etc/profile

三、Zookeeper集群配置

注意：搭建zookeeper集群时，一定要先停止已经启动的zookeeper节点。

3.1、Zookeeper配置文件修改

#修改过后的配置文件zoo.cfg，如下：

egrep -v "^#|^$" zoo.cfg

tickTime=2000
initLimit=10
syncLimit=5
dataLogDir=/opt/zookeeper/logs
dataDir=/opt/zookeeper/data
clientPort=2181
autopurge.snapRetainCount=500
autopurge.purgeInterval=24
server.1= 192.168.1.148:2888:3888
server.2= 192.168.1.149:2888:3888
server.3= 192.168.1.150:2888:3888

#创建相关目录，三台节点都需要

mkdir -p /opt/zookeeper/{logs,data}

#其余zookeeper节点安装完成之后，同步配置文件zoo.cfg。

3.2、配置参数说明

tickTime这个时间是作为zookeeper服务器之间或客户端与服务器之间维持心跳的时间间隔,也就是说每个tickTime时间就会发送一个心跳。

initLimit这个配置项是用来配置zookeeper接受客户端（这里所说的客户端不是用户连接zookeeper服务器的客户端,而是zookeeper服务器集群中连接到leader的follower 服务器）初始化连接时最长能忍受多少个心跳时间间隔数。

当已经超过10个心跳的时间（也就是tickTime）长度后 zookeeper 服务器还没有收到客户端的返回信息,那么表明这个客户端连接失败。总的时间长度就是 10*2000=20秒。

syncLimit这个配置项标识leader与follower之间发送消息,请求和应答时间长度,最长不能超过多少个tickTime的时间长度,总的时间长度就是5*2000=10秒。

dataDir顾名思义就是zookeeper保存数据的目录,默认情况下zookeeper将写数据的日志文件也保存在这个目录里；

clientPort这个端口就是客户端连接Zookeeper服务器的端口,Zookeeper会监听这个端口接受客户端的访问请求；

server.A=B:C:D中的A是一个数字,表示这个是第几号服务器,B是这个服务器的IP地址，C第一个端口用来集群成员的信息交换,表示这个服务器与集群中的leader服务器交换信息的端口，D是在leader挂掉时专门用来进行选举leader所用的端口。

3.3、创建ServerID标识

除了修改zoo.cfg配置文件外,zookeeper集群模式下还要配置一个myid文件,这个文件需要放在dataDir目录下。

这个文件里面有一个数据就是A的值（该A就是zoo.cfg文件中server.A=B:C:D中的A）,在zoo.cfg文件中配置的dataDir路径中创建myid文件。

#在192.168.1.148服务器上面创建myid文件，并设置值为1，同时与zoo.cfg文件里面的server.1保持一致，如下

echo "1" > /opt/zookeeper/data/myid

#在192.168.1.149服务器上面创建myid文件，并设置值为1，同时与zoo.cfg文件里面的server.2保持一致，如下

echo "2" > /opt/zookeeper/data/myid

#在192.168.1.150服务器上面创建myid文件，并设置值为1，同时与zoo.cfg文件里面的server.3保持一致，如下

echo "3" > /opt/zookeeper/data/myid

到此，相关配置已完成

四、Zookeeper集群查看

1、启动每个服务器上面的zookeeper节点：

#linux-node1、linux-node2、linux-node3

/opt/zookeeper/bin/zkServer.sh start

注意：报错排查

Zookeeper节点启动不了可能原因：zoo.cfg配置文件有误、iptables没关。

2、启动完成之后查看每个节点的状态

#linux-node1

#linux-node2

#linux-node3

#从上面可以看出，linux-node1，linux-node3两台服务器zookeeper的状态是follow模式，linux-node2这台服务器zookeeper的状态是leader模式。

五、Zookeeper集群连接

Zookeeper集群搭建完毕之后，可以通过客户端脚本连接到zookeeper集群上面，对客户端来说，zookeeper集群是一个整体，连接到zookeeper集群实际上感觉在独享整个集群的服务。
#在linux-node1测试

通过上图可以看出整个zookeeper集群已经搭建并测试完成。
#Zookeeper原理：
http://blog.csdn.net/wuliu_forever/article/details/52053557
http://www.cnblogs.com/luxiaoxun/p/4887452.html