分布式系统的可靠协调系统——Zookeeper

2024-01-28 14:05:22

分布式系统的可靠协调系统——Zookeeper

Zookeeper

一、zookeeper简介

1.1 zookeeper的概述

分布式系统的可靠协调系统——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Google的Chubby一个开源的实现，是Hadoop和Hbase的重要组件。它是一个为分布式应用提供一致性服务的软件，提供的功能包括：配置维护、域名服务、分布式同步、组服务等。

ZooKeeper的目标就是封装好复杂易出错的关键服务，将简单易用的接口和性能高效、功能稳定的系统提供给用户。

ZooKeeper包含一个简单的原语集，提供Java和C的接口。

ZooKeeper代码版本中，提供了分布式独享锁、选举、队列的接口，代码在$zookeeper_home\src\recipes。其中分布锁和队列有Java和C两个版本，选举只有Java版本。

1.2 Zookeeper的定义

Zookeeper是一~个开源的分布式的，为分布式框架提供协调服务的Apache项目。

1.3 Zookeeper的工作机制

分布式系统的可靠协调系统——Zookeeper

  • Zookeeper从设计模式角度来理解:是一个基于观察者模式设计的分布式服务管理框架，它负责存储和管理大家都关心的数据，然后接受观察者的注册，一旦这些数据的状态发生变化，Zookeeper就将负责通知已经在Zookeeper上注册的那些观察者做出相应的反应。

  • 就是说Zookeeper =文件系统+通知机制。

1.4 Zookeeper 的特点

分布式系统的可靠协调系统——Zookeeper

  • (1) Zookeeper：一个领导者(Leader) ，多个跟随者(Follower) 组成的集群。
  • (2) Zookeepe集群中只要有半数以上节点存活，Zookeeper集群就能正常服务。所以Zookeeper适合安装奇数台服务器。
  • (3)全局数据一致：每个Server保存一份相同的数据副本，Client无论连接到哪个Server， 数据都是一致的。
  • (4)更新请求顺序执行，来自同一个Client的更新请求按其发送顺序依次执行，即先进先出。.
  • (5)数据更新原子性，一次数据更新要么成功，要么失败。
  • (6)实时性，在一定时间范围内，Client能读到最新数据。

1.5 zookeeper 的数据结构

分布式系统的可靠协调系统——Zookeeper

  • ZooKeeper数据模型的结构与Linux文件系统很类似，整体上可以看作是一棵树，每个节点称做–个ZNode。
  • 每一个ZNode默认能够存储1MB的数据，每个ZNode都可以通过其路径唯一标识。

二、Zookeeper的应用场景

提供的服务包括:统一命名服务、 统一配置管理、统一集群管理、服务器节点动态上下线、软负载均衡等。

2.1 统一命名服务

在分布式环境下，经常需要对应用/服务进行统一命名， 便于识别。例如: IP不容 易记住，而域名容易记住。

2.2 统一配置管理

  1. 分布式环境下，配置文件同步非常常见。一般要求一个集群中，所有节点的配置信息是一致的，比如Kafka集群。对配置文
    件修改后，希望能够快速同步到各个节点上。
  2. 配置管理可交由ZooKeeper实现。可将配置信息写入ZooKeeper.上的一-个Znode。各个客户端服务器监听这个Znode。一旦
    Znode中的数据被修改，ZooKeeper将 通知各个客户端服务器。

2.3 统一集群管理

  1. 分布式环境中，实时掌握每个节点的状态是必要的。可根据节点实时状态做出一-些调整。
  2. ZooKeeper可以实现实时监控节点状态变化。可将节点信息写入ZooKeeper.上的一-个ZNode。监听这个ZNode可获取它的实时状态变化。

2.4 服务器动态上下线

客户端能实时洞察到服务器上下线的变化。

2.5 软负载均衡

在Zookeeper中记录每台服务器的访问数，让访问数最少的服务器去处理最新的客户端请求。

三、Zookeeper的选举机制

3.1 第一次启动选举机制

分布式系统的可靠协调系统——Zookeeper

  1. 服务器1启动，发起一次选举。服务器1投自己一票。此时服务器1票数一票， 不够半数以上(3票)，选举无法完成，服务器1状态保持为LO0KING;
  2. 服务器2启动，再发起一次选举。服务器1和2分别投自己一票并交换选票信息:此时服务器1发现服务器2的myid比自己目前
    投票推举的( 服务器1)大，更改选票为推举服务器2。此时服务器1票数0票，服务器2票数2票，没有半数以上结果，选举无法完成，服务器1，2状态保持LOOKING
  3. 服务器3启动，发起一次选举。此时服务器1和2都会更改选票为服务器3。此次投票结果:服务器1为0票，服务器2为0票，服
    务器3为3票。此时服务器3的票数已经超过半数，服务器3当选Leader。服务器1，2更改状态为FOLLOWING，服务器3更改状态为LEADING;
  4. 服务器4启动，发起一次选举。此时服务器1，2，3已经不是L00KING状态，不会更改选票信息。交换选票信息结果:服务器3为3票，服务器4为1票。此时服务器4服从多数，更改选票信息为服务器3，并更改状态为FOLLOWING;
  5. 服务器5启动，同4服从多数，更改选票信息为服务器3，并更改状态为FOLLOWING;

3.2 非第一次启动选举机制

分布式系统的可靠协调系统——Zookeeper

1）当ZooKeeper集群中的一台 服务器出现以下两种情况之一时， 就会开始进入Leader选举:

  1. 服务器初始化启动。
  2. 服务器运行期间无法和Leader保持连接。

2）而当一台机器进入Leader选举流程时，当前集群也可能会处于以下两种状态:

  1. 集群中本来就已经存在一个Leader。
    对于已经存在Leader的情况，机器试图去选举Leader时，会被告知当前服务器的Leader信息，对于该机器来说，仅仅需要和Leader机器建立连接，并进行状态同步即可。

  2. 集群中确实不存在Leader
    假设ZooKeeper由5台服务器组成，SID分别为1、2、3、4、5，ZXID分别为8、8、8、7、7，并且此时SID为3的服务器是Leader。某一时刻，3和5服务器出现故障，因此开始进行Leader选举。

选举Leader规则:

  1. EPOCH大的直接胜出。
  2. EPOCH相同，事务id大的胜出。
  3. 事务id相同，服务器id大的胜出。
  • SID: 服务器ID。用来唯一 标识一台ZooKeeper集群中的机器，每台机器不能重复，和myid一致。
  • ZXID:事务ID。ZXID是-一个事务ID，用来标识一次服务器状态的变更。在某-一时刻，集群中的每台机器的ZXID值不一定完全一致，这和ZooKeeper服务器对于客户端“更新请求”的处理逻辑速度有关。
  • Epoch:每个Leader任期的代号。没有Leader时同一轮投票过程中的逻辑时钟值是相同的。每投完一次票这个数据就会增加

四、部署Zookeeper集群

4.1 部署Zookeeper集群的操作步骤

环境准备工作：

服务器类型 系统和IP地址 需要安装的组件
Zookeeper服务器1 CentOS7.4(64 位) 192.168.80.40 jdk
Zookeeper服务器2 CentOS7.4(64 位) 192.168.80.50 jdk
Zookeeper服务器3 CentOS7.4(64 位) 192.168.80.60 jdk

关闭防火墙和SElinux

1.安装前准备
由于这三台的zookeeper服务器的配置一样，我这里仅展示一台的操作步骤！！

yum install -y java-1.8.0-openjdk java-1.8.0-openjdk-devel
java -version

2.安装Zookeeper

cd /opt/
tar zxvf apache-zookeeper-3.5.7-bin.tar.gz
mv apache-zookeeper-3.5.7-bin /usr/local/zookeeper-3.5.7

// 修改配置文件

cd /usr/local/zookeeper-3.5.7/conf/ 
cp zoo_sample.cfg zoo.cfg

tickTime=2000			#通信心跳时间，Zookeeper服务器与客户端心跳时间，单位毫秒
initLimit=10			#Leader和Follower初始连接时能容忍的最多心跳数( tickTime的数量)，这里表示为10*2s
syncLimit=5
#Leader和Fol lower之间同步通信的超时时间，这里表示如果超过5*2s，Leader认 为Fol lwer死掉，并从服务器列表中删除Follwer
dataDir=/usr/local/zookeeper-3.5.7/data				#修改，指定保存Zookeeper中的数据的目录，目录需要单独创建
dataLogDir=/usr/local/zookeeper-3.5.7/logs			#添加，指定存放日志的目录，目录需要单独创建
clientPort=2181										#客户端连接端口

#添加集群信息
server.1=192.168.80.40:3188:3288
server.1=192.168.80.50:3188:3288
server.1=192.168.80.60:3188:3288

server.A=B:C:D
●A是一个数字，表示这个是第几号服务器。集群模式下需要在zoo. cfg中dataDir指定的目录下创建一一个 文件myid，这个文件里面有一个数据就是A的值，Zookeeper启动时读取此文件，拿到里面的数据与zoo.cfg里面的配置信息比较从而判断到底是哪server
●B是这个服务器的地址。
●C是这个服务器Follower与集群中的Leader服务器交换信息的端口。
●D是万一集群中的Leader服务器挂了，需要-一个端口来重新进行选举，选出一-个新的Leader，而这个端口就是用来执行选举时服务器相互通信的端口。

3.在每个节点上创建数据目录和日志目录

mkdir /usr/local/zookeeper-3.5.7/data
mkdir /usr/local/zookeeper-3.5.7/logs

4.在每个节点的dataDir指定的目录下创建一个myid的文件

echo 1 > /usr/local/zookeeper-3.5.7/data/myid				#zookeeper服务器1上添加
echo 2 > /usr/local/zookeeper-3.5.7/data/myid				#zookeeper服务器2上添加
echo 3 > /usr/local/zookeeper-3.5.7/data/myid				#zookeeper服务器3上添加

5.配置Zookeeper启动脚本

vim /etc/init.d/zookeeper
#!/bin/bash
#chkconfig:2345 20 90
#description: Zookeeper Service Control Script
ZK_HOME='/usr/local/zookeeper-3.5.7'
case $1 in
start)
echo "-----zookeeper启动-----"
$ZK_HOME/bin/zkServer.sh start
;;
stop)
echo "----zookeeper停止-------"
$ZK_HOME/bin/ zkServer.sh stop
;;
restart)
echo "----zookeeper重启-------"
$ZK_HOME/bin/zkServer.sh restart
;;
status)
echo  "-----zookeeper状态------"
$ZK_HOME/bin/zkServer.sh status
;;
*)
echo "Usage: $0 {start|stop|restart|status}"
esac

6.设置开机自启

chmod +x /etc/init.d/zookeeper
chkconfig --add zookeeper

7.分别启动 Zookeeper

service zookeeper start

8.查看当前状态

service zookeeper status

4.2 部署Zookeeper集群的具体实验步骤（实操）

1.安装前准备
① 安装JDK
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② 查看版本

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2.安装Zookeeper
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3.修改配置文件

① 复制配置文件
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② 修改配置，添加集群信息
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4.在每个节点上创建数据目录和日志目录
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5.在每个节点的dataDir指定的目录下创建一个myid的文件

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6.配置Zookeeper启动脚本
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7.设置开机自启
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8.分别启动 Zookeeper并查看状态

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