解Bug之路-ZooKeeper集群拒绝服务

Posted 2021-06-22 alchemystar

解Bug之路-ZooKeeper集群拒绝服务

前言

ZooKeeper作为dubbo的注册中心，可谓是重中之重，线上ZK的任何风吹草动都会牵动心弦。最近笔者就碰到线上ZK Leader宕机后，选主无法成功导致ZK集群拒绝服务的现象，于是把这个case写出来分享给大家(基于ZooKeeper 3.4.5)。

Bug现场

一天早上，突然接到电话，说是ZooKeeper物理机宕机了，而剩余几台机器状态都是

sh zkServer.sh status
it is probably not running

笔者看了下监控，物理机宕机的正好是ZK的leader。3节点的ZK，leader宕了后，其余两台一直未能成为leader，把宕机的那台紧急拉起来之后，依旧无法选主，
导致ZK集群整体拒绝服务！

业务影响

Dubbo如果连接不上ZK，其调用元信息会一直缓存着，所以并不会对请求调用造成实际影响。麻烦的是，如果在ZK拒绝服务期间，应用无法重启或者发布，一旦遇到紧急事件而重启(发布)不能，就会造成比较重大的影响。
好在我们为了高可用，做了对等机房建设，所以非常淡定的将流量切到B机房，

双机房建设就是好啊,一键切换！
切换过后就可以有充裕的时间来恢复A机房的集群了。在紧张恢复的同时，笔者也开始了分析工作。

日志表现

首先，查看日志，期间有大量的client连接报错，自然是直接过滤掉，以免干扰。

cat zookeeper.out | grep -v \'client xxx\' | > /tmp/1.txt

首先看到的是下面这样的日志:

ZK-A机器日志

Zk-A机器:
2021-06-16 03:32:35 ... New election. My id=3
2021-06-16 03:32:46 ... QuoeumPeer] LEADING  // 注意，这里选主成功
2021-06-16 03:32:46 ... QuoeumPeer] LEADING - LEADER ELECTION TOOK - 7878\'
2021-06-16 03:32:48 ... QuoeumPeer] Reading snapshot /xxx/snapshot.xxx
2021-06-16 03:32:54 ... QuoeumPeer] Snahotting xxx to /xxx/snapshot.xxx
2021-06-16 03:33:08 ... Follower sid ZK-B.IP
2021-06-16 03:33:08 ... Unexpected exception causing shutdown while sock still open
java.io.EOFException 
	at java.io.DataInputStream.readInt
	......
	at quorum.LearnerHandler.run
2021-06-16 03:33:08 ******* GOODBYE ZK-B.IP *******
2021-06-16 03:33:27 Shutting down

这段日志看上去像选主成功了，但是和其它机器的通信出问题了，导致Shutdown然后重新选举。

ZK-B机器日志

2021-06-16 03:32:48 New election. My id=2
2021-06-16 03:32:48 QuoeumPeer] FOLLOWING
2021-06-16 03:32:48 QuoeumPeer] FOLLOWING - LEADER ELECTION TOOK - 222
2021-06-16 03:33:08.833 QuoeumPeer] Exception when following the leader
java.net.SocketTimeoutException: Read time out
	at java.net.SocketInputStream.socketRead0
	......
	at org.apache.zookeeper.server.quorum.Follower.followLeader
2021-06-16 03:33:08.380 Shutting down

这段日志也表明选主成功了，而且自己是Following状态，只不过Leader迟迟不返回，导致超时进而Shutdown

时序图

笔者将上面的日志画成时序图，以便分析:

从ZK-B的日志可以看出，其在成为follower之后，一直等待leader，知道Read time out。
从ZK-A的日志可以看出,其在成为LEADING后，在33:08,803才收到Follower也就是ZK-B发出的包。而这时，ZK-B已经在33:08,301的时候Read timed out了。

首先分析follower(ZK-B)的情况

我们知道其在03:32:48成为follower,然后在03:33:08出错Read time out，其间正好是20s。于是笔者先从Zookeeper源码中找下其设置Read time out是多长时间。

Learner
protected void connectToLeader(InetSocketAddress addr) {
	......
	sock = new Socket()
	// self.tockTime 2000 self.initLimit 10
	sock.setSoTimeout(self.tickTime * self.initLimit);
	......
}

其Read time out是按照zoo.cfg中的配置项而设置:

tickTime=2000 self.tickTime
initLimit=10 self.initLimit
syncLimit=5

很明显的，ZK-B在成为follower后，由于某种原因leader在20s后才响应。那么接下来对leader进行分析。

对leader(ZK-A)进行分析

首先我们先看下Leader的初始化逻辑:

quorumPeer
	|->打印 LEADING
	|->makeLeader
		|-> new ServerSocket listen and bind 
	|->leader.lead()
		|->打印 LEADER ELECTION TOOK
		|->loadData
			|->loadDataBase 
				|->resore 打印Reading snapshot
			|->takeSnapshot
				|->save 打印Snapshotting
			|->cnxAcceptor 处理请求Accept		

可以看到，在我们的ZK启动监听端口到正式处理请求之间，还有Reading Snapshot和Snapshotting(写)动作。从日志可以看出一个花了6s多,一个花了14s多。然后就有20s的处理空档期。如下图所示:

由于在socket listen 20s之后才开始处理数据，所以ZK-B建立成功的连接实际还放在tcp的内核全连接队列(backlog)里面，由于在内核看来三次握手是成功的，所以能够正常接收ZK-B发送的follower ZK-B数据。在20s，ZK-A真正处理后，从buffer里面拿出来20s前ZK-B发送的数据，处理完回包的时候，发现ZK-B连接已经断开。
同样的，另一台follower(这时候我们已经把宕机的拉起来了，所以是3台)也是由于此原因gg,而leader迟迟收不到其它机器的响应，认为自己的leader没有达到1/2的票数，而Shutdown重新选举。

Snapshot耗时

那么是什么导致Snapshotting读写这么耗时呢？笔者查看了下Snapshot文件大小,有将近一个G左右。

调大initLimit

针对这种情况，其实我们只要调大initLimit，应该就可以越过这道坎。

zoo.cfg
tickTime=2000 // 这个不要动，因为和ZK心跳机制有关
initLimit=100 // 直接调成100,200s!

这么巧就20s么？

难道就这么巧，每次选举流程都刚好卡在20s不过？反复选举了好多次，应该有一次要<20s成功把，不然运气也太差了。如果是每次需要处理Snapshot 30s也就算了，但这个20s太接近极限值了，是否还有其它因素导致选主不成功？

第二种情况

于是笔者翻了下日志，还真有！这次leader这边处理Snapshot快了，但是follower又拉跨了!日志如下:

leader(ZK-A)第二种情况

2021-06-16 03:38:03 New election. My id= 3
2021-06-16 03:38:22 QuorumPeer] LEADING
2021-06-16 03:38:22 QuorumPeer] LEADING - LEADER ELECTION TOOK 25703
2021-06-16 03:38:22 QuorumPeer] Reading snapshot
2021-06-16 03:38:29 QuorumPeer] Snapshotting
2021-06-16 03:38:42 LearnerHandler] Follower sid 1
2021-06-16 03:38:42 LearnerHandler] Follower sid 3
2021-06-16 03:38:42 LearnerHandler] Sending DIFF
2021-06-16 03:38:42 LearnerHandler] Sending DIFF
2021-06-16 03:38:54 LearnerHandler] Have quorum of supporters
2021-06-16 03:38:55 client attempting to establsh new session 到这开始接收client请求了
......
2021-06-16 03:38:58 Shutdown callsed
java.lang.Exception: shutdown Leader! reason: Only 1 followers,need 1
	at org.apache.zookeeper.server.quorum.Leader.shutdown

从日志中我们可以看到选举是成功了的，毕竟处理Snapshot只处理了13s(可能是pagecache的原因处理变快)。其它两个follower顺利连接，同时给他们发送DIFF包，但是情况没好多久，又爆了一个follower不够的报错，这里的报错信息比较迷惑。
我们看下代码:

Leader.lead
void lead() {
	while(true){
				 Thread.sleep(self.tickTime/2);
				 ......
				 syncedSet.add(self.getId())
				 for(LearnerHandler f:getLearners()){
				 	if(f.synced() && f.getLearnerType()==LearnerType.PARTICIPANT){
				 		syncedSet.add(f.getSid());
				 	}
				 	f.ping();
				 }
				  // syncedSet只有1个也就是自身，不符合>1/2的条件，报错并跳出
	            if (!tickSkip && !self.getQuorumVerifier().containsQuorum(syncedSet)) {
                    shutdown("Only" + syncedSet.size() + " followers, need" + (self.getVotingView().size()/2));
                    return;
              } 
	}
}

报错的实质就是和leader同步的syncedSet小于固定的1/2集群，所以shutdown了。同时在代码里面我们又可以看到syncedSet的判定是通过learnerHander.synced()来决定。我们继续看下代码:

LearnerHandler
	public boolean synced(){
	    // 这边isAlive是线程的isAlive
		return isAlive() && tickOfLastAck >= leader.self.tick - leader.self.syncLimit;
	}

很明显的，follower和leader的同步时间超过了leader.self.syncLimit也就是5 * 2 = 10s

zoo.cfg
tickTime = 2000
syncLimit = 5 

那么我们的tick是怎么更新的呢,答案是在follower响应UPTODATE包,也就是已经和leader同步后，follower每个包过来就更新一次，在此之前并不更新。

进一步推理，也就是我们的follower处理leader的包超过了10s，导致tick未及时更新，进而syncedSet小于数量，导致leader shutdown。

follower(ZK-B)第二种情况

带着这个结论，笔者去翻了follower(ZK-B)的日志(注:ZK-C也是如此)

2021-06-16 03:38:24 New election. My id = 3
2021-06-16 03:38:24 FOLLOWING
2021-06-16 03:38:24 FOLLOWING - LEADER ELECTION TOOK - 8004
2021-06-16 03:38:42 Getting a diff from the leader
2021-06-16 03:38:42 Snapshotting
2021-06-16 03:38:57 Snapshotting
2021-06-16 03:39:12 Got zxid xxx
2021-06-16 03:39:12 Exception when following the leader
java.net.SocketException: Broken pipe

又是Snapshot,这次我们可以看到每次Snapshot会花15s左右，远超了syncLimit。
从源码中我们可以得知，每次Snapshot之后都会立马writePacket(即响应)，但是第一次回包有由于不是处理的UPTODATE包,所以并不会更新Leader端对应的tick:

learner:
proteced void syncWithLeader(...){
outerloop:
	while(self.isRunning()){
		readPacket(qp);
		switch(qp.getType()){
			case Leader.UPTODATE
			if(!snapshotTaken){
				zk.takeSnapshot();
				......
			}
			break outerloop;
		}
		case Leader.NEWLEADER:
			zk.takeSnapshot();
			......
			writePacket(......) // leader收到后会更新tick
			break;
	}
	......
	writePacket(ack,True); // leader收到后会更新tick
}

注意，ZK-B的日志里面表明会两次Snapshotting。至于为什么两次，应该是一个微妙的Bug,(在3.4.5的官方注释里面做了fix,但看日志依旧打了两次)，笔者并没有深究。好了，整个时序图就如下所示:

好了，第二种情况也gg了。这一次时间就不是刚刚好出在边缘了，得将近30s才能Okay, 而synedSet只有10s(2*5)。ZK集群就在这两种情况中反复选举，直到人工介入。

调大syncLimit

针对这种情况，其实我们只要调大syncLimit，应该就可以越过这道坎。

zoo.cfg
tickTime=2000 // 这个不要动，因为和ZK心跳机制有关
syncLimit=50  // 直接调成50,100s!

线下复现

当然了，有了分析还是不够的。我们还需要通过测试去复现并验证我们的结论。我们在线下构造了一个1024G Snapshot的ZookKeeper进行测试，在initLimit=10以及syncLimit=5的情况下确实和线上出现一模一样的那两种现象。在笔者将参数调整后:

zoo.cfg
tickTime=2000
initLimit=100 // 200s
syncLimit=50  // 100s

Zookeeper集群终于正常了。

线下用新版本3.4.13尝试复现

我们在线下还用比较新的版本3.4.13尝试复现，发现Zookeeper在不调整参数的情况下，很快的就选主成功并正常提供服务了。笔者翻了翻源码，发现其直接在Leader.lead()阶段和SyncWithLeader阶段(如果是用Diff的话)将takeSnapshot去掉了。这也就避免了处理snapshot时间过长导致无法提供服务的现象。

Zookeeper 3.4.13

ZookeeperServer.java
public void loadData(){
	...
	// takeSnapshot() 删掉了最后一行的takeSnapshot
}

learner.java
protected void syncWithLeader(...){
	boolean snapshotNeeded=true
	if(qp.getType() == Leader.DIFF){
		......
		snapshotNeeded = false
	}
	......
	if(snapshotNeeded){
		zk.takeSnapshot();
	}
	......
}

还是升级到高版本靠谱呀，这个版本的代码顺带把那个迷惑性的日志也改了！

为何Dubbo-ZK有那么多的数据

最后的问题就是一个dubbo相关的ZK为什么有那么多数据了!笔者利用ZK使用的

org.apache.zookeeper.server.SnapshotFormatter

工具dump出来并用shell(awk|unique)聚合了一把，发现dubbo的数据只占了其中的1/4。
有1/2是Solar的Zookeeper(已经迁移掉，遗留在上面的)。还有1/4是由于某个系统的分布式锁Bug不停的写入进去并且不删除的(已让他们修改)。所以将dubbo-zk和其它ZK数据分离是多么的重要！随便滥用就有可能导致重大事件！

总结

Zookeeper作为重要的元数据管理系统，其无法提供服务有可能会带来不可估量的影响。感谢双机房建设让我们有充足的时间和轻松的心态处理此问题。另外，虽然ZK选举虽然复杂，但是只要沉下心来慢慢分析，总归能够发现蛛丝马迹，进而找到突破口!