ZooKeeper

1、Zookeeper 是什么?

ZooKeeper 是一个开放源码的分布式协调服务,它是集群的管理者,监视着集群中各个节点的状态,根据节点提交的反馈进行下一步合理操作。最终,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。

分布式应用程序可以基于 Zookeeper 实现诸如数据发布 / 订阅、负载均衡、命名服务、分布式协调 / 通知、集群管理、Master 选举、分布式锁和分布式队列等功能。

Zookeeper 保证了如下分布式一致性特性:

  • 顺序一致性
  • 原子性
  • 单一视图
  • 可靠性
  • 实时性(最终一致性)

客户端的读请求可以被集群中的任意一台机器处理,如果读请求在节点上注册了监听器,这个监听器也是由所连接的 zookeeper 机器来处理。对于写请求,这些请求会同时发给其他 zookeeper 机器并且达成一致后,请求才会返回成功。因此,随着 zookeeper 的集群机器增多,读请求的吞吐会提高但是写请求的吞吐会下降。

有序性是 zookeeper 中非常重要的一个特性,所有的更新都是全局有序的,每个更新都有一个唯一的时间戳,这个时间戳称为 zxid(Zookeeper Transaction Id)。而读请求只会相对于更新有序,也就是读请求的返回结果中会带有这个 zookeeper 最新的 zxid。


2、Zookeeper 提供了什么?

  • 文件系统
  • 通知机制

3、Zookeeper 文件系统:

Zookeeper 提供一个多层级的节点命名空间(节点称为 znode)。与文件系统不同的是,这些节点都可以设置关联的数据,而文件系统中只有文件节点可以存放数据而目录节点不行。Zookeeper 为了保证高吞吐和低延迟,在内存中维护了这个树状的目录结构,这种特性使得 Zookeeper 不能用于存放大量的数据,每个节点的存放数据上限为 1M。


4、ZAB 协议:

ZAB 协议是为分布式协调服务 Zookeeper 专门设计的一种支持崩溃恢复的原子广播协议。 ZAB 协议包括两种基本的模式:崩溃恢复和消息广播。当整个 zookeeper 集群刚刚启动或者 Leader 服务器宕机、重启或者网络故障导致不存在过半的服务器与 Leader 服务器保持正常通信时,所有进程(服务器)进入崩溃恢复模式,首先选举产生新的 Leader 服务器,然后集群中 Follower 服务器开始与新的 Leader 服务器进行数据同步,当集群中超过半数机器与该 Leader 服务器完成数据同步之后,退出恢复模式进入消息广播模式,Leader 服务器开始接收客户端的事务请求生成事物提案来进行事务请求处理。


5、四种类型的数据节点 Znode:

  • Persistent-持久节点:除非手动删除,否则节点一直存在于 Zookeeper 上。
  • Ephemeral-临时节点:临时节点的生命周期与客户端会话绑定,一旦客户端会话失效(客户端与 zookeeper 连接断开不一定会话失效),那么这个客户端创建的所有临时节点都会被移除。
  • Persistent_Sequential-持久顺序节点:基本特性同持久节点,只是增加了顺序属性,节点名后边会追加一个由父节点维护的自增整型数字。
  • Ephemeral_Sequential-临时顺序节点:基本特性同临时节点,增加了顺序属性,节点名后边会追加一个由父节点维护的自增整型数字。

6、Zookeeper Watcher 机制 -- 数据变更通知:

Zookeeper 允许客户端向服务端的某个 Znode 注册一个 Watcher 监听,当服务端的一些指定事件触发了这个 Watcher,服务端会向指定客户端发送一个事件通知来实现分布式的通知功能,然后客户端根据 Watcher 通知状态和事件类型做出业务上的改变。

工作机制:

  • 客户端注册 watcher
  • 服务端处理 watcher
  • 客户端回调 watcher

Watcher 特性总结:

  • 一次性:无论是服务端还是客户端,一旦一个 Watcher 被触发 ,Zookeeper 都会将其从相应的存储中移除。这样的设计有效的减轻了服务端的压力,不然对于更新非常频繁的节点,服务端会不断的向客户端发送事件通知,无论对于网络还是服务端的压力都非常大。
  • 客户端串行执行:客户端 Watcher 回调的过程是一个串行同步的过程。
  • 轻量
    • Watcher 通知非常简单,只会告诉客户端发生了事件,而不会说明事件的具体内容。
    • 客户端向服务端注册 Watcher 的时候,并不会把客户端真实的 Watcher 对象实体传递到服务端,仅仅是在客户端请求中使用 boolean 类型属性进行了标 记。
  • watcher event 异步发送 watcher 的通知事件从 server 发送到 client 是异步的,这就存在一个问题,不同的客户端和服务器之间通过 socket 进行通信,由于网络延迟或其他因素导致客户端在不通的时刻监听到事件,由于 Zookeeper 本身提供了 ordering guarantee,即客户端监听事件后,才会感知它所监视 znode 发生了变化。所以我们使用 Zookeeper 不能期望能够监控到节点每次的变化。Zookeeper 只能保证最终的一致性,而无法保证强一致性。
  • 注册 watcher getData、exists、getChildren
  • 触发 watcher create、delete、setData
  • 当一个客户端连接到一个新的服务器上时,watch 将会被以任意会话事件触发。当与一个服务器失去连接的时候,是无法接收到 watch 的。而当 client 重新连接时,如果需要的话,所有先前注册过的 watch,都会被重新注册。通常这是完全透明的。只有在一个特殊情况下,watch 可能会丢失:对于一个未创建的 znode 的 exist watch,如果在客户端断开连接期间被创建了,并且随后在客户端连接上之前又删除了,这种情况下,这个 watch 事件可能会被丢失。

7、客户端注册 Watcher 实现

  • 调用 getData() / getChildren() / exist() 三个 API,传入 Watcher 对象
  • 标记请求 request,封装 Watcher 到 WatchRegistration
  • 封装成 Packet 对象,发服务端发送 request
  • 收到服务端响应后,将 Watcher 注册到 ZKWatcherManager 中进行管理
  • 请求返回,完成注册。

8、服务端处理 Watcher 实现

  • 服务端接收 Watcher 并存储:接收到客户端请求,处理请求判断是否需要注册 Watcher,需要的话将数据节点的节点路径和 ServerCnxn(ServerCnxn 代表一个客户端和服务端的连接,实现了 Watcher 的 process 接口,此时可以看成一个 Watcher 对象)存储在 WatcherManager 的 WatchTable 和 watch2Paths 中去。
  • Watcher 触发:以服务端接收到 setData() 事务请求触发 NodeDataChanged 事件为例:
    • 封装 WatchedEvent:将通知状态(SyncConnected)、事件类型(NodeDataChanged)以及节点路径封装成一个 WatchedEvent 对象
    • 查询 Watcher:从 WatchTable 中根据节点路径查找 Watcher
    • 没找到:说明没有客户端在该数据节点上注册过 Watcher
    • 找到:提取并从 WatchTable 和 Watch2Paths 中删除对应 Watcher(从这里可以看出 Watcher 在服务端是一次性的,触发一次就失效了)
  • 调用 process 方法来触发 Watcher:这里 process 主要就是通过 ServerCnxn 对应的 TCP 连接发送 Watcher 事件通知。

9、客户端回调 Watcher

客户端 SendThread 线程接收事件通知,交由 EventThread 线程回调 Watcher。

客户端的 Watcher 机制同样是一次性的,一旦被触发后,该 Watcher 就失效了。


10、ACL 权限控制机制

  • UGO(User / Group / Others):目前在 Linux/Unix 文件系统中使用,也是使用最广泛的权限控制方式。是一种粗粒度的文件系统权限控制模式。
  • ACL(Access Control List)访问控制列表,包括三个方面:
    • 权限模式(Scheme)
      • IP:从 IP 地址粒度进行权限控制
      • Digest:最常用,用类似于 username : password 的权限标识来进行权限配置,便于区分不同应用来进行权限控制
      • World:最开放的权限控制方式,是一种特殊的 digest 模式,只有一个权限标识 "world : anyone"
      • SUper:超级用户
    • 授权对象
      • 授权对象指的是权限赋予的用户或一个指定实体,例如 IP 地址或是机器灯。
    • 权限 Permission
      • CREATE:数据节点创建权限,允许授权对象在该 Znode 下创建子节点
      • DELETE:子节点删除权限,允许授权对象删除该数据节点的子节点
      • READ:数据节点的读取权限,允许授权对象访问该数据节点并读取其数据内容或子节点列表等
      • WRITE:数据节点更新权限,允许授权对象对该数据节点进行更新操作
      • ADMIN:数据节点管理权限,允许授权对象对该数据节点进行 ACL 相关设 置操作

11、Chroot 特性

3.2.0 版本后,添加了 Chroot 特性,该特性允许每个客户端为自己设置一个命名空间。如果一个客户端设置了 Chroot,那么该客户端对服务器的任何操作,都将会被限制在其自己的命名空间下。通过设置 Chroot,能够将一个客户端应用于 Zookeeper 服务端的一颗子树相对应,在那些多个应用公用一个 Zookeeper 进群的场景下,对实现不同应用间的相互隔离非常有帮助。


12、服务器角色

  • Leader
    • 事务请求的唯一调度和处理者,保证集群事务处理的顺序性
    • 集群内部各服务的调度者
  • Follower
    • 处理客户端的非事务请求,转发事务请求给 Leader 服务器
    • 参与事务请求 Proposal 的投票
    • 参与 Leader 选举投票
  • Observer
    • 3.0 版本以后引入的一个服务器角色,在不影响集群事务处理能力的基础上提升集群的非事务处理能力
    • 处理客户端的非事务请求,转发事务请求给 Leader 服务器
    • 不参与任何形式的投票

13、Zookeeper 下 Server 工作状态

服务器具有四种状态,分别是 LOOKING、FOLLOWING、LEADING、OBSERVING。

  • LOOKING:寻找 Leader 状态。当服务器处于该状态时,它会认为当前集群中没有 Leader,因此需要进入 Leader 选举状态。
  • FOLLOWING:跟随者状态。表明当前服务器角色是 Follower。
  • LEADING:领导者状态。表明当前服务器角色是 Leader。
  • OBSERVING:观察者状态。表明当前服务器角色是 Observer。

14、Zookeeper 是如何保证事务的顺序一致性的?

Zookeeper 采用了全局递增的事务 Id 来标识,所有的 proposal(提议)都在被提出的时候加上了 zxid,zxid 实际上是一个 64 位的数字,高 32 位是 epoch 用来标识 leader 周期,如果有新的 leader 产生出来,epoch 会自增,低 32 位用来递增计数。当新产生 proposal 的时候,会依据数据库的两阶段过程,首先会向其他的 server 发出事务执行请求,如果超过半数的机器都能执行并且能够成功,那么就会开始执行。


15、分布式集群中为什么会有 Master?

在分布式环境中,有些业务逻辑只需要集群中的某一台机器进行执行,其他的机器可以共享这个结果,这样可以大大减少重复计算,提高性能,于是就需要进行 leader 选举。


16、zk 节点宕机如何处理?

Zookeeper 本身也是集群,推荐配置不少于 3 个服务器。

Zookeeper 自身也要保证当一个节点宕机时,其他节点会继续提供服务。

如果是一个 Follower 宕机,还有 2 台服务器提供访问,因为 Zookeeper 上的数据是有多个副本的,数据并不会丢失;如果是一个 Leader 宕机,Zookeeper 会选举出新的 Leader。

ZK 集群的机制是只要超过半数的节点正常,集群就能正常提供服务。只有在 ZK 节点挂得太多,只剩一半或不到一半节点能工作,集群才失效。所以 3 个节点的 cluster 可以挂掉 1 个节点(leader 可以得到 2 票 > 1.5);2 个节点的 cluster 就不能挂掉任何 1 个节点了(leader 可以得到 1 票 <= 1)。


17、zookeeper 负载均衡和 nginx 负载均衡区别

zk 的负载均衡是可以调控,nginx 只是能调权重,其他需要可控的都需要自己写插件;但是 nginx 的吞吐量比 zk 大很多,应该说按业务选择用哪种方式。


18、集群支持动态添加机器吗?

其实就是水平扩容了,Zookeeper 在这方面不太好。

两种方式:

全部重启:关闭所有 Zookeeper 服务,修改配置之后启动。不影响之前客户端的会话。

逐个重启:在过半存活即可用的原则下,一台机器重启不影响整个集群对外提供服务。这是比较常用的方式。

3.5 版本开始支持动态扩容。


19、Zookeeper 对节点的 watch 监听通知是永久的吗?为什么不是永久的?

不是。

官方声明:一个 Watch 事件是一个一次性的触发器,当被设置了 Watch 的数据发生了改变的时候,服务器将这个改变发送给设置了 Watch 的客户端,以便通知它们。

为什么不是永久的,举个例子,如果服务端变动频繁,而监听的客户端很多情况 下,每次变动都要通知到所有的客户端,给网络和服务器造成很大压力。 一般是客户端执行 getData(“/节点 A”,true),如果节点 A 发生了变更或删除,客户端会得到它的 watch 事件,但是在之后节点 A 又发生了变更,而客户端又没有设置 watch 事件,就不再给客户端发送。在实际应用中,很多情况下,我们的客户端不需要知道服务端的每一次变动,只要最新的数据即可。


20、ZAB 和 Paxos 算法的联系与区别?

相同点:

  • 两者都存在一个类似于 Leader 进程的角色,由其负责协调多个 Follower 进程的运行。
  • Leader 进程都会等待超过半数的 Follower 做出正确的反馈后,才会将一个提案进行提交。
  • ZAB 协议中,每个 Proposal 中都包含一个 epoch 值来代表当前的 Leader 周期,Paxos 中名字为 Ballot。

不同点:

  • ZAB 用来构建高可用的分布式数据主备系统(Zookeeper),Paxos 是用来构建分布式一致性状态机系统。

21、Zookeeper 的典型应用场景

Zookeeper 是一个典型的发布 / 订阅模式的分布式数据管理与协调框架,开发人员可以使用它来进行分布式数据的发布和订阅。通过对 Zookeeper 中丰富的数据节点进行交叉使用,配合 Watcher 事件通知机制,可以非常方便的构建一系列分布式应用中都会涉及的核心功能,如:

  • 数据发布 / 订阅
  • 负载均衡
  • 命名服务
  • 分布式协调 / 通知
  • 集群管理
  • Master 选举
  • 分布式锁
更新时间:2021-03-10 10:43:10

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