ZooKeeper分布式协调协调

张

张建站

2026/4/11 3:10:45

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一、ZooKeeper 概述1. 什么是 ZooKeeperZooKeeper 是一个开源的分布式协调服务用于实现分布式系统中常见的一致性、配置管理、集群管理等功能。它的目标是提供高度可靠的分布式协调能力。应用场景Hadoop、Solr 等大数据组件都使用 ZooKeeper 进行集群管理。2. 三种部署模式模式说明单机模式单台机器运行一个 ZooKeeper 实例适合学习伪分布式模式单台机器运行多个实例模拟集群适合开发测试全分布式模式多台机器部署真正的集群模式适合生产环境二、ZooKeeper 术语1. 角色» Zookeeper是一个由多个server组成的集群» 一个leader多个follower» 每个server保存一份数据副本» 全局数据一致» 分布式读写» 更新请求转发由leader实施» 更新请求顺序进行来自同一个client的更新请求按其发送顺序依次执行» 数据更新原子性一次数据更新要么成功要么失败» client无论连接到哪个server数据视图都是一致的» 实时性在一定事件范围内client能读到最新数据2.事务要想理解啥事务首先得理解清楚什么是一致性。所谓的一致性实际上就是围绕着“看见”来的。谁能看见能否看见什么时候看见举个例子淘宝后台卖家在后台上架一件大促的商品通过服务器A提交到主数据库假设刚提交后立马就有用户去通过应用服务器B去从数据库查询该商品就会出现一个现象卖家已经更新成功了然而买家却看不到而经过一段时间后主数据库的数据同步到了从数据库买家就能查到了。假设卖家更新成功之后买家立马就能看到卖家的更新则称为强一致性如果卖家更新成功后买家不能看到卖家更新的内容则称为弱一致性而卖家更新成功后买家经过一段时间最终能看到卖家的更新则称为最终一致性。事务强一致性3.原子广播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。Zab协议有两种模式它们分别是恢复模式选主和广播模式同步。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。4. 节点类型1Znode有两种类型短暂的ephemeral和持久的persistent2Znode的类型在创建时确定并且之后不能再修改3短暂znode的客户端会话结束时zookeeper会将该短暂znode删除短暂znode不可以有子节点4持久znode不依赖于客户端会话只有当客户端明确要删除该持久znode时才会被删除5Znode有四种形式的目录节点6PERSISTENT持久的7EPHEMERAL(暂时的)8PERSISTENT_SEQUENTIAL持久化顺序编号目录节点9EPHEMERAL_SEQUENTIAL暂时化顺序编号目录节点5.状态三、Zookeeper功能四、ZooKeeper 工作原理一.数据流程1.在Client向Follwer发出一个写的请求2.Follwer把请求发送给Leader3.Leader接收到以后开始发起投票并通知Follwer进行投票4.Follwer把投票结果发送给Leader5.Leader将结果汇总后如果需要写入则开始写入同时把写入操作通知给Leader然后commit;6.Follwer把请求结果返回给Client1.Follower四个功能1向Leader发送请求PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息2接收Leader消息并进行处理3接收Client的请求如果为写请求发送给Leader进行投票4返回Client结果。2.Follower的消息循环处理如下几种来自Leader的消息1PING消息心跳消息2PROPOSAL消息Leader发起的提案要求Follower投票3COMMIT消息服务器端最新一次提案的信息4UPTODATE消息表明同步完成5REVALIDATE消息根据Leader的REVALIDATE结果关闭待revalidate的session还是允许其接受消息6SYNC消息返回SYNC结果到客户端这个消息最初由客户端发起,用来强制得到最新的更新。二.工作原理1、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。Zab协议有两种模式它们分别是恢复模式和广播模式。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的完成了和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。2、一旦leader已经和多数的follower进行了状态同步后他就可以开始广播消息了即进入广播状态。这时候当一个server加入zookeeper服务中它会在恢复模式下启动发现leader并和leader进行状态同步。待到同步结束它也参与消息广播。Zookeeper服务一直维持在Broadcast状态直到leader崩溃了或者leader失去了大部分的followers支持。3、广播模式需要保证proposal被按顺序处理因此zk采用了递增的事务id号(zxid)来保证。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为的数字它高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。低32位是个递增计数。4、当leader崩溃或者leader失去大多数的follower这时候zk进入恢复模式恢复模式需要重新选举出一个新的leader让所有的server都恢复到一个正确的状态。5、每个Server启动以后都询问其它的Server它要投票给谁。6、对于其他server的询问server每次根据自己的状态都回复自己推荐的leader的id和上一次处理事务的zxid系统启动时每个server都会推荐自己。7、收到所有Server回复以后就计算出zxid最大的哪个Server并将这个Server相关信息设置成下一次要投票的Server。8、计算这过程中获得票数最多的的sever为获胜者如果获胜者的票数超过半数则改server被选为leader。否则继续这个过程直到leader被选举出来。9、leader就会开始等待server连接。10、Follower连接leader将最大的zxid发送给leader。11、Leader根据follower的zxid确定同步点。12、完成同步后通知follower 已经成为uptodate状态。13、Follower收到uptodate消息后又可以重新接受client的请求进行服务了。三.Zookeeper选举流程五、数据一致性与 Paxos 算法1. 一致性保证所有写操作必须被编号排序只有获得过半数投票的写操作才会被批准节点发现数据不一致时自动停止服务并重新同步2. Paxos 算法核心通过投票对写操作进行全局编号同一时刻只有一个写操作被批准集群节点数为2n1最多允许 n 台挂掉六、ZooKeeper 数据模型一.数据模型1zookeeper的数据结构与linux文件系统很类似如下图所示。2和文件系统不同的是zk的数据存储的是结构化存储没有文件和目录的概念文件和目录被抽象成了节点node上图中的每个node称为znode 每个znode由三个部分组成stat 描述该znode的版本权限等信息。data与该znode关联的数据。children 该znode下的子节点二.相关操作1、连接server bin/zkCli.sh -server zkServerIp:port2、列出指定node的子node ls / ls /hello3、创建znode节点并指定关联数据 create /hello world 创建节点hello并将字符串world关联到该节点如果仅仅是 create hello 是无法创建成功的需要指定关联数据才能创建成功。 [zk: 192.168.58.99:2181(CONNECTED) 4] create /wusong zk: 192.168.58.99:2181(CONNECTED) 5] ls /wusong Node does not exist: /wusong4、获取znode的数据和状态信息 get helloworld cZxid 0x1e00000075 #节点创建时的zxid.ctime Tue Aug 21 23:42:08 PDT 2018 #节点创建时的时间戳mZxid 0x1e00000075 #节点最新一次更新发生时的zxidmtime Tue Aug 21 23:42:08 PDT 2018#节点最新一次更新发生时的时间戳pZxid 0x1e00000075cversion 0 #其子节点的更新次数dataVersion 0 #节点数据的更新次数aclVersion 0 #节点ACL(授权信息)的更新次数ephemeralOwner 0x0 #如果该节点为ephemeral节点, ephemeralOwner值表示与该节点绑定的dataLength 5numChildren 05、删除nodedelete /hello/item01delete /hello当znode拥有子znode必须先删除其所有子znode不然无法删除成功rmr可以递归删除当存在子节点时会首先删除子节点。三.zxid和session1、zxid1znode节点的状态信息中包含czxid, 那么什么是zxid呢?2ZooKeeper状态的每一次改变, 都对应着一个递增的事务id, 该id称为zxid. 由于zxid的递增性质, 如果zxid1小于zxid2, 那么zxid1肯定先于zxid2发生.创建任意节点, 或者更新任意节点的数据, 或者删除任意节点, 都会导致Zookeeper状态发生改变, 从而导致zxid的值增加.2、session在client和server通信之前首先要建立tcp连接这个连接就是一个session会话连接建立后如果发生超时、或者显示关闭连接导致连接处于closed状态此时session便会被删除。对于临时节点session删除也意味着该节点会被删除。四.节点类型(1)persistent节点不会随着该节点的session的结束而被删除除非显示delete才会被删除。 (2)ephemeral节点顾名思义表示节点是临时的如果创建该节点的session结束了该节点就会被自动删除在未删除之前其他session可以读写该节点。使用-e参数指定创建ephemeral节点。(3)sequence节点既可以是persistent也可以是ephemeral的创建sequence节点时zk server会在指定的节点名称后面加上一个数字序列这个数字序列是递增的所以可以多次创建相同的sequence节点而得到不同的节点使用-s参数指定创建sequence节点。(4)watchwatch用来监听感兴趣的时间在命令行中下面几个命令可以指定是否监听相应的事件。ls命令的第一个参数指定znode如果第二个参数为true表面监听该znode子节点的增减以及该znode本身的删除事件。(5)get命令get命令的第一个参数指定znode, 第二个参数如果为true, 则说明监听该znode的更新和删除事件。(6)stat命令stat命令用于获取znode的状态信息. 第一个参数指定znode, 如果第二个参数为true, 则监听该node的更新和删除事件。七、其它说明一.Observer1Zookeeper需保证高可用和强一致性2为了支持更多的客户端需要增加更多Server3Server增多投票阶段延迟增大影响性能4权衡伸缩性和高吞吐率引入Observer5Observer不参与投票6Observers接受客户端的连接并将写请求转发给leader节点7加入更多Observer节点提高伸缩性同时不影响吞吐率。二.为什么zookeeper集群的数目一般为奇数个?1Leader选举算法采用了Paxos协议2Paxos核心思想当多数Server写成功则任务数据写成功如果有3个Server则两个写成功即可如果有4或5个Server则三个写成功即可3Server数目一般为奇数3、5、7如果有3个Server则最多允许1个Server挂掉如果有4个Server则同样最多允许1个Server挂掉由此。我们看出3台服务器和4台服务器的的容灾能力是一样的所以为了节省服务器资源一般我们采用奇数个数作为服务器部署个数。三.Zookeeper的特性特性说明顺序一致性同一客户端的事务按发起顺序执行原子性事务在所有机器上要么全部成功要么全部失败单一视图无论连接哪个 Server看到的数据模型一致可靠性事务一旦成功变更会被持久保留实时性保证最终一定读到最新数据四.ZooKeeper在Hadoop中的应用八、ZooKeeper 部署一.zookeeper安装Hadoop分布式集群环境搭建是每个入门级新手都非常头疼的事情因为你可能花费了很久的时间在搭建运行环境最终却不知道什么原因无法创建成功。但对新手来说运行环境搭建不成功的概率还蛮高的所以在正式开始搭建集群前做好集群规划是很有必要的。二.zookeeper配置ZooKeeper配置很简单每个节点的配置文件(zoo.cfg)都是一样的只有myid文件不一样。myid的值必须是zoo.cfg中server.{数值}的{数值}部分。zoo.cfg文件内容示例三.zookeeper操作1、启动zookeeper [roothadoop1 conf]# zkServer.sh start [roothadoop2 conf]# zkServer.sh start [roothadoop3 conf]# zkServer.sh start hadoop1启动效果截图2、查看启动状态 [roothadoop1 conf]# zkServer.sh status hadoop1执行截图[roothadoop2 conf]# zkServer.sh status hadoop2执行截图九、小结ZooKeeper 是大数据生态中不可或缺的协调服务理解其工作原理是掌握分布式系统基础的关键一步。