ZooKeeper

Posted 2020-11-09 米虫爱喝咖啡

Zookeeper 作为一个分布式的服务框架，主要用来解决分布式集群中应用系统的一致性问题，它能提供基于类似于文件系统的目录节点树方式的数据存储， Zookeeper 作用主要是用来维护和监控存储的数据的状态变化，通过监控这些数据状态的变化，从而达到基于数据的集群管理。

1.Znode

像数据结构当中的树，也很像文件系统的目录。基于节点，这种节点叫做Znode。Znode的引用方式是路径引用，类似于文件路径

Znode内容：

• data：Znode存储的数据信息。
• ACL：记录Znode的访问权限，即哪些人或哪些IP可以访问本节点。
• stat：包含Znode的各种元数据，比如事务ID、版本号、时间戳、大小等等。
• child：当前节点的子节点引用，类似于二叉树的左孩子右孩子。

注意，Zookeeper是为读多写少的场景所设计。Znode并不是用来存储大规模业务数据，而是用于存储少量的状态和配置信息，每个节点的数据最大不能超过1MB。

Znode类型：

 

• PERSISTENT-持久化目录节点：客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在
• PERSISTENT_SEQUENTIAL-持久化顺序编号目录节点：客户端与zookeeper断开连接后，该节点依旧存在，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号
• EPHEMERAL-临时目录节点：客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除
• EPHEMERAL_SEQUENTIAL-临时顺序编号目录节点:客户端与zookeeper断开连接后，该节点被删除，只是Zookeeper给该节点名称进行顺序编号

Zookeeper基本操作：

• create创建节点
• delete删除节点
• exists判断节点是否存在
• getData获得一个节点的数据
• setData设置一个节点的数据
• getChildren获取节点下的所有子节点

Zookeeper客户端在请求读操作的时候，可以选择是否设置Watch。

当这个Znode发生改变（create，delete，setData），将会触发Znode上注册的对应事件，请求Watch的客户端会接收到异步通知。

具体交互过程如下：

1.客户端调用getData方法，watch参数是true。服务端接到请求，返回节点数据，并且在对应的哈希表里插入被Watch的Znode路径，以及Watcher列表。

2.当被Watch的Znode已删除，服务端会查找哈希表，找到该Znode对应的所有Watcher，异步通知客户端，并且删除哈希表中对应的Key-Value。

2.Zookeeper

Zookeeper Service集群是一主多从结构。

在更新数据时，首先更新到主节点（这里的节点是指服务器，不是Znode），再同步到从节点。

在读取数据时，直接读取任意从节点。

Zookeeper角色介绍：

• 1、client：分布式中的一个节点，访问服务器的配置信息，周期性向server发送心跳包，server向client回应确认，如果client没有收到回应，则重定向到另一个server
• 2、server：zookeeper中的一个节点，为client提供所需的服务，给client回应信息表明自己是存活的
• 3、leader：连接任何一个节点，如果节点出现故障，leader自动修复，在service启动时完成leader的选举
• 4、follower：听从leader的指令，完成选举工作

问题1：如何保证主从节点的数据一致性？

为了保证主从节点的数据一致性，Zookeeper采用了ZAB协议，这种协议非常类似于一致性算法Paxos和Raft。

Zab协议既不是强一致性，也不是弱一致性，而是处于两者之间的单调一致性。它依靠事务ID和版本号，保证了数据的更新和读取是有序的。

ZAB协议所定义的三种节点状态：

• Looking ：选举状态。
• Following ：Follower节点（从节点）所处的状态。
• Leading ：Leader节点（主节点）所处状态。

假如Zookeeper当前的主节点挂掉了，集群会进行崩溃恢复。ZAB的崩溃恢复分成三个阶段：

1.Leader election  选举阶段，此时集群中的节点处于Looking状态。

它们会各自向其他节点发起投票，投票当中包含自己的服务器ID和最新事务ID（ZXID）。

接下来，节点会用自身的ZXID和从其他节点接收到的ZXID做比较，如果发现别人家的ZXID比自己大，也就是数据比自己新，那么就重新发起投票，投票给目前已知最大的ZXID所属节点。

每次投票后，服务器都会统计投票数量，判断是否有某个节点得到半数以上的投票。如果存在这样的节点，该节点将会成为准Leader，状态变为Leading。其他节点的状态变为Following。

2.Discovery  发现阶段，用于在从节点中发现最新的ZXID和事务日志。

Leader接收所有Follower发来各自的最新epoch值。Leader从中选出最大的epoch，基于此值加1，生成新的epoch分发给各个Follower。

各个Follower收到全新的epoch后，返回ACK给Leader，带上各自最大的ZXID和历史事务日志。Leader选出最大的ZXID，并更新自身历史日志。

3.Synchronization 同步阶段，把Leader刚才收集得到的最新历史事务日志，同步给集群中所有的Follower。只有当半数Follower同步成功，这个准Leader才能成为正式的Leader。

问题2：如何保证保证事务的顺序一致性？

zookeeper采用了递增的事务编号（zxid）来标识事务。zxid是一个64位的数字，包含epoch和计数两部分，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。低32位用于递增计数。

问题3：ZAB是怎么实现写入数据的？

更新数据的时候，由Leader广播到所有的Follower。其过程如下：

1.客户端发出写入数据请求给任意Follower。

2.Follower把写入数据请求转发给Leader。

3.Leader采用二阶段提交方式，先发送Propose广播给Follower。

4.Follower接到Propose消息，写入日志成功后，返回ACK消息给Leader。

5.Leader接到半数以上ACK消息，返回成功给客户端，并且广播Commit请求给Follower。

3.Zookeeper的应用场景

1.分布式锁

利用Zookeeper的临时顺序节点，可以轻松实现分布式锁。

2.服务注册和发现

利用Znode和Watcher，可以实现分布式服务的注册和发现。最著名的应用就是阿里的分布式RPC框架Dubbo。

3.共享配置和状态信息

Redis的分布式解决方案Codis，就利用了Zookeeper来存放数据路由表和 codis-proxy 节点的元信息。同时 codis-config 发起的命令都会通过 ZooKeeper 同步到各个存活的 codis-proxy。

 

此外，Kafka、HBase、Hadoop，也都依靠Zookeeper同步节点信息，实现高可用。