【Zookeeper系列六】Zookeeper 工作原理

原创
2015/11/26 14:02
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#0 系列目录#

ZooKeeper是一个分布式的,开放源码的分布式应用程序协调服务,它包含一个简单的原语集,分布式应用程序可以基于它实现同步服务,配置维护和命名服务等。Zookeeper是hadoop的一个子项目,其发展历程无需赘述。在分布式应用中,由于工程师不能很好地使用锁机制,以及基于消息的协调机制不适合在某些应用中使用,因此需要有一种可靠的、可扩展的、分布式的、可配置的协调机制来统一系统的状态。Zookeeper的目的就在于此。本文简单分析Zookeeper的工作原理,对于如何使用Zookeeper不是本文讨论的重点。

#1 Zookeeper的基本概念# ##1.1 角色## Zookeeper中的角色主要有以下三类,如下表所示:

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系统模型如图所示:

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##1.2 设计目的##

  1. 最终一致性:client不论连接到哪个Server,展示给它都是同一个视图,这是zookeeper最重要的性能。

  2. 可靠性:具有简单、健壮、良好的性能,如果消息m被其中一台服务器接受,那么它将被所有的服务器接受

  3. 实时性Zookeeper保证客户端将在一个时间间隔范围内获得服务器的更新信息,或者服务器失效的信息。但由于网络延时等原因,Zookeeper不能保证两个客户端能同时得到刚更新的数据,如果需要最新数据,应该在读数据之前调用sync()接口。

  4. 等待无关(wait-free):慢的或者失效的client不得干预快速的client的请求,使得每个client都能有效的等待

  5. 原子性:更新只能成功或者失败,没有中间状态。

  6. 顺序性:包括全局有序和偏序两种:全局有序是指如果在一台服务器上消息a在消息b前发布,则在所有Server上消息a都将在消息b前被发布;偏序是指如果一个消息b在消息a后被同一个发送者发布,a必将排在b前面。

#2 ZooKeeper工作原理# 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)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。实现中zxid是一个64位的数字,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,标识当前属于那个leader的统治时期。低32位用于递增计数

每个Server在工作过程中有三种状态:

  1. LOOKING:当前Server不知道leader是谁,正在搜寻

  2. LEADING:当前Server即为选举出来的leader

  3. FOLLOWING:leader已经选举出来,当前Server与之同步

##2.1 选主流程## 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。Zk的选举算法有两种:一种是基于basic paxos实现的,另外一种是基于fast paxos算法实现的。系统默认的选举算法为fast paxos。

先介绍basic paxos流程:

  1. 选举线程由当前Server发起选举的线程担任,其主要功能是对投票结果进行统计,并选出推荐的Server
  2. 选举线程首先向所有Server发起一次询问(包括自己)
  3. 选举线程收到回复后,验证是否是自己发起的询问(验证zxid是否一致),然后获取对方的id(myid),并存储到当前询问对象列表中,最后获取对方提议的leader相关信息(id,zxid),并将这些信息存储到当次选举的投票记录表中
  4. 收到所有Server回复以后,就计算出zxid最大的那个Server,并将这个Server相关信息设置成下一次要投票的Server
  5. 线程将当前zxid最大的Server设置为当前Server要推荐的Leader,如果此时获胜的Server获得n/2 + 1的Server票数, 设置当前推荐的leader为获胜的Server,将根据获胜的Server相关信息设置自己的状态,否则,继续这个过程,直到leader被选举出来。

通过流程分析我们可以得出:要使Leader获得多数Server的支持,则Server总数必须是奇数2n+1,且存活的Server的数目不得少于n+1

每个Server启动后都会重复以上流程。在恢复模式下,如果是刚从崩溃状态恢复的或者刚启动的server还会从磁盘快照中恢复数据和会话信息,zk会记录事务日志并定期进行快照,方便在恢复时进行状态恢复

选主的具体流程图如下所示:

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fast paxos流程是在选举过程中,某Server首先向所有Server提议自己要成为leader,当其它Server收到提议以后,解决epoch和zxid的冲突,并接受对方的提议,然后向对方发送接受提议完成的消息,重复这个流程,最后一定能选举出Leader。其流程图如下所示:

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##2.2 同步流程## 选完leader以后,zk就进入状态同步过程:

  1. leader等待server连接;
  2. Follower连接leader,将最大的zxid发送给leader
  3. Leader根据follower的zxid确定同步点
  4. 完成同步后通知follower 已经成为uptodate状态;
  5. Follower收到uptodate消息后,又可以重新接受client的请求进行服务了

流程图如下所示:

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##2.3 工作流程## ###2.3.1 Leader工作流程### Leader主要有三个功能:

  1. 恢复数据

  2. 维持与Learner的心跳,接收Learner请求并判断Learner的请求消息类型;

  3. Learner的消息类型主要有PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息,根据不同的消息类型,进行不同的处理;

**PING消息:**是指Learner的心跳信息;

**REQUEST消息:**是Follower发送的提议信息,包括写请求及同步请求;

**ACK消息:**是Follower的对提议的回复,超过半数的Follower通过,则commit该提议;

**REVALIDATE消息:**是用来延长SESSION有效时间;

Leader的工作流程简图如下所示,在实际实现中,流程要比下图复杂得多,启动了三个线程来实现功能:

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###2.3.2 Follower工作流程### Follower主要有四个功能:

  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;

Follower的消息循环处理如下几种来自Leader的消息:

  1. PING消息: 心跳消息;

  2. PROPOSAL消息:Leader发起的提案,要求Follower投票;

  3. COMMIT消息:服务器端最新一次提案的信息;

  4. UPTODATE消息:表明同步完成;

  5. REVALIDATE消息:根据Leader的REVALIDATE结果,关闭待revalidate的session还是允许其接受消息;

  6. SYNC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。

Follower的工作流程简图如下所示,在实际实现中,Follower是通过5个线程来实现功能的:

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对于observer的流程不再叙述,observer流程和Follower的唯一不同的地方就是observer不会参加leader发起的投票

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