Zookeeper快速入门

Zookeeper 概述

ZooKeeper是一种分布式协调服务，用于管理大型主机。在分布式环境中协调和管理服务是一个复杂的过程。ZooKeeper通过其简单的架构和API解决了这个问题。ZooKeeper允许开发人员专注于核心应用程序逻辑，而不必担心应用程序的分布式特性。

分布式应用的优点

可靠性 - 单个或几个系统的故障不会使整个系统出现故障。
可扩展性 - 可以在需要时增加性能，通过添加更多机器，在应用程序配置中进行微小的更改，而不会有停机时间。
透明性 - 隐藏系统的复杂性，并将其显示为单个实体/应用程序。

分布式应用的挑战

竞争条件 - 两个或多个机器尝试执行特定任务，实际上只需在任意给定时间由单个机器完成。例如，共享资源只能在任意给定时间由单个机器修改。
死锁 - 两个或多个操作等待彼此无限期完成。
不一致 - 数据的部分失败。

什么是Apache ZooKeeper？

Apache ZooKeeper是由集群（节点组）使用的一种服务，用于在自身之间协调，并通过稳健的同步技术维护共享数据。ZooKeeper本身是一个分布式应用程序，为写入分布式应用程序提供服务。

ZooKeeper提供的常见服务如下 :

命名服务 - 按名称标识集群中的节点。它类似于DNS，但仅对于节点。
配置管理 - 加入节点的最近的和最新的系统配置信息。
集群管理 - 实时地在集群和节点状态中加入/离开节点。
选举算法 - 选举一个节点作为协调目的的leader。
锁定和同步服务 - 在修改数据的同时锁定数据。此机制可帮助你在连接其他分布式应用程序（如Apache HBase）时进行自动故障恢复。
高度可靠的数据注册表 - 即使在一个或几个节点关闭时也可以获得数据。

ZooKeeper的好处

简单的分布式协调过程
同步 - 服务器进程之间的相互排斥和协作。此过程有助于Apache HBase进行配置管理。
有序的消息
序列化 - 根据特定规则对数据进行编码。确保应用程序运行一致。这种方法可以在MapReduce中用来协调队列以执行运行的线程。
可靠性
原子性 - 数据转移完全成功或完全失败，但没有事务是部分的。

ZooKeeper的架构

Client（客户端）

客户端，我们的分布式应用集群中的一个节点，从服务器访问信息。对于特定的时间间隔，每个客户端向服务器发送消息以使服务器知道客户端是活跃的。类似地，当客户端连接时，服务器发送确认码。如果连接的服务器没有响应，客户端会自动将消息重定向到另一个服务器。

Server（服务器）

服务器，我们的ZooKeeper总体中的一个节点，为客户端提供所有的服务。向客户端发送确认码以告知服务器是活跃的。

Ensemble

ZooKeeper服务器组。形成ensemble所需的最小节点数为3。

Leader:

服务器节点，如果任何连接的节点失败，则执行自动恢复。Leader在服务启动时被选举。

Follower

跟随leader指令的服务器节点。

层次命名空间

ZooKeeper节点称为 znode 。每个znode由一个名称标识，并用路径(/)序列分隔。

config 命名空间用于集中式配置管理，workers 命名空间用于命名。
在 config 命名空间下，每个znode最多可存储1MB的数据。这与UNIX文件系统相类似，除了父znode也可以存储数据。这种结构的主要目的是存储同步数据并描述znode的元数据。此结构称为 ZooKeeper数据模型。
ZooKeeper数据模型中的每个znode都维护着一个 stat 结构。一个stat仅提供一个znode的元数据。它由版本号，操作控制列表(ACL)，时间戳和数据长度组成。

版本号 - 每个znode都有版本号，这意味着每当与znode相关联的数据发生变化时，其对应的版本号也会增加。当多个zookeeper客户端尝试在同一znode上执行操作时，版本号的使用就很重要。
操作控制列表(ACL) - ACL基本上是访问znode的认证机制。它管理所有znode读取和写入操作。
时间戳 - 时间戳表示创建和修改znode所经过的时间。它通常以毫秒为单位。ZooKeeper从“事务ID"(zxid)标识znode的每个更改。Zxid是唯一的，并且为每个事务保留时间，以便你可以轻松地确定从一个请求到另一个请求所经过的时间。
数据长度 - 存储在znode中的数据总量是数据长度。你最多可以存储1MB的数据。

Znode的类型

Znode被分为持久（persistent）节点，顺序（sequential）节点和临时（ephemeral）节点。

持久节点 - 即使在创建该特定znode的客户端断开连接后，持久节点仍然存在。默认情况下，除非另有说明，否则所有znode都是持久的。
临时节点 - 客户端活跃时，临时节点就是有效的。当客户端与ZooKeeper集合断开连接时，临时节点会自动删除。因此，只有临时节点不允许有子节点。如果临时节点被删除，则下一个合适的节点将填充其位置。临时节点在leader选举中起着重要作用。
顺序节点 - 顺序节点可以是持久的或临时的。当一个新的znode被创建为一个顺序节点时，ZooKeeper通过将10位的序列号附加到原始名称来设置znode的路径。例如，如果将具有路径 /myapp 的znode创建为顺序节点，则ZooKeeper会将路径更改为 /myapp0000000001 ，并将下一个序列号设置为0000000002。如果两个顺序节点是同时创建的，那么ZooKeeper不会对每个znode使用相同的数字。顺序节点在锁定和同步中起重要作用。

Sessions（会话）

会话对于ZooKeeper的操作非常重要。会话中的请求按FIFO顺序执行。一旦客户端连接到服务器，将建立会话并向客户端分配会话ID 。
客户端以特定的时间间隔发送心跳以保持会话有效。如果ZooKeeper集合在超过服务器开启时指定的期间（会话超时）都没有从客户端接收到心跳，则它会判定客户端死机。
会话超时通常以毫秒为单位。当会话由于任何原因结束时，在该会话期间创建的临时节点也会被删除。

Watches（监视）

监视是一种简单的机制，使客户端收到关于ZooKeeper集合中的更改的通知。客户端可以在读取特定znode时设置Watches。Watches会向注册的客户端发送任何znode（客户端注册表）更改的通知。
Znode更改是与znode相关的数据的修改或znode的子项中的更改。只触发一次watches。如果客户端想要再次通知，则必须通过另一个读取操作来完成。当连接会话过期时，客户端将与服务器断开连接，相关的watches也将被删除。

Zookeeper 工作流

一旦ZooKeeper集合启动，它将等待客户端连接。客户端将连接到ZooKeeper集合中的一个节点。它可以是leader或follower节点。一旦客户端被连接，节点将向特定客户端分配会话ID并向该客户端发送确认。如果客户端没有收到确认，它将尝试连接ZooKeeper集合中的另一个节点。一旦连接到节点，客户端将以有规律的间隔向节点发送心跳，以确保连接不会丢失。

如果客户端想要读取特定的znode，它将会向具有znode路径的节点发送读取请求，并且节点通过从其自己的数据库获取来返回所请求的znode。为此，在ZooKeeper集合中读取速度很快。
如果客户端想要将数据存储在ZooKeeper集合中，则会将znode路径和数据发送到服务器。连接的服务器将该请求转发给leader，然后leader将向所有的follower重新发出写入请求。如果只有大部分节点成功响应，而写入请求成功，则成功返回代码将被发送到客户端。否则，写入请求失败。绝大多数节点被称为 Quorum 。

ZooKeeper集合中的节点

如果我们有单个节点，则当该节点故障时，ZooKeeper集合将故障。它有助于“单点故障"，不建议在生产环境中使用。
如果我们有两个节点而一个节点故障，我们没有占多数，因为两个中的一个不是多数。
如果我们有三个节点而一个节点故障，那么我们有大多数，因此，这是最低要求。ZooKeeper集合在实际生产环境中必须至少有三个节点。
如果我们有四个节点而两个节点故障，它将再次故障。类似于有三个节点，额外节点不用于任何目的，因此，最好添加奇数的节点，例如3，5，7。
写入过程比ZooKeeper集合中的读取过程要贵，因为所有节点都需要在数据库中写入相同的数据

写入（write）

写入过程由leader节点处理。leader将写入请求转发到所有znode，并等待znode的回复。如果一半的znode回复，则写入过程完成。

读取（read）

读取由特定连接的znode在内部执行，因此不需要与集群进行交互。

复制数据库（replicated database）

它用于在zookeeper中存储数据。每个znode都有自己的数据库，每个znode在一致性的帮助下每次都有相同的数据。

Leader负责处理写入请求的Znode。

Follower:从客户端接收写入请求，并将它们转发到leader znode。

请求处理器（request processor）:只存在于leader节点。它管理来自follower节点的写入请求。

原子广播（atomic broadcasts）:负责广播从leader节点到follower节点的变化。

Zookeeper leader选举

分析如何在ZooKeeper集合中选举leader节点。考虑一个集群中有N个节点。leader选举的过程如下：

所有节点创建具有相同路径 /app/leader_election/guid_ 的顺序、临时节点。
ZooKeeper集合将附加10位序列号到路径，创建的znode将是 /app/leader_election/guid_0000000001，/app/leader_election/guid_0000000002等。
对于给定的实例，在znode中创建最小数字的节点成为leader，而所有其他节点是follower。
每个follower节点监视下一个具有最小数字的znode。例如，创建znode/app/leader_election/guid_0000000008的节点将监视znode/app/leader_election/guid_0000000007，创建znode/app/leader_election/guid_0000000007的节点将监视znode/app/leader_election/guid_0000000006。
如果leader关闭，则其相应的znode/app/leader_electionN会被删除。
下一个在线follower节点将通过监视器获得关于leader移除的通知。
下一个在线follower节点将检查是否存在其他具有最小数字的znode。如果没有，那么它将承担leader的角色。否则，它找到的创建具有最小数字的znode的节点将作为leader。
类似地，所有其他follower节点选举创建具有最小数字的znode的节点作为leader。

Zookeeper集群安装 安装:

wget http://www.apache.org/dist//zookeeper/zookeeper-3.3.3/zookeeper-3.3.3.tar.gz
tar zxvf zookeeper-3.3.3.tar.gz
cd zookeeper-3.3.3
cp conf/zoo_sample.cfg conf/zoo.cfg

zookeeper-3.4.10/conf新建立zoo.cfg，zoo2.cfg，zoo3.cfg三个文件，配置如下，

#心跳间隔 毫秒每次
tickTime = 2000
##日志位置 伪集群设置不同目录
dataDir = /home/zookeeper-3.4.10/data/data1
#监听客户端连接的端口 伪集群设置不同端口
clientPort = 2181
#多少个心跳时间内，允许其他server连接并初始化数据，如果ZooKeeper管理的数据较大，则应相应增大这个值
initLimit = 10
#多少个tickTime内，允许follower同步，如果follower落后太多，则会被丢弃
syncLimit = 5

#伪集群配置 不需要集群去掉（vim /etc/host 映射ip的hostname的关系）
server.1=CentOS124:2886:3886
server.2=CentOS124:2888:3888
server.3=CentOS124:2889:3889

并在zookeeper-3.4.10/data的 data1,data2,data3 目录下放置myid文件，文件内容为1,2,3：

进入bi目录启动

./zkServer.sh start zoo.cfg
./zkServer.sh start zoo2.cfg
./zkServer.sh start zoo3.cfg

查看服务状态

./zkServer.sh status zoo.cfg
./zkServer.sh status zoo2.cfg
./zkServer.sh status zoo3.cfg

使用Zookeeper的客户端来连接并测试了

[root@CentOS124 bin]# ./zkCli.sh

#查看根节点
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 0] ls /
[firstNode, SecodeZnode, firstNode0000000002, hbase, zookeeper]
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 0] create /mykey1 myvalue1  #创建一个新节点mykey1 
Created /mykey1
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] get /mykey1   #获取mykey1节点  

#要创建顺序节点
create -s /FirstZnode second-data

#要创建临时节点
create -e /SecondZnode “Ephemeral-data"