【企业级分布式系统】ZooKeeper集群

Zookeeper 概述

Zookeeper 定义

ZooKeeper是一个开源的分布式协调服务，它为分布式应用提供一致性服务。ZooKeeper通过提供高效且可靠的数据存储、数据同步以及集群管理等功能，帮助开发者构建高可用的分布式系统。在分布式环境中，ZooKeeper常用于解决分布式数据一致性、分布式锁、命名服务、配置管理等问题。

Zookeeper 工作机制

从设计模式的角度来看，ZooKeeper基于观察者模式设计。它维护一个共享的、树状的数据结构，并允许客户端注册为某个数据节点的观察者。当这些数据节点的状态发生变化时，ZooKeeper会通知所有注册的观察者，使得它们能够做出相应的反应。这种机制使得ZooKeeper在分布式系统中能够高效地协调不同节点之间的通信和协作。

Zookeeper 特点

1. 集群架构：ZooKeeper集群由一个领导者（Leader）和多个跟随者（Follower）组成。这种架构确保了系统的高可用性和容错性。
2. 高可用性：只要ZooKeeper集群中有一半以上的节点存活，集群就能正常提供服务。因此，为了最大化系统的可用性，通常建议安装奇数台服务器来构建ZooKeeper集群。
3. 全局数据一致：ZooKeeper集群中的每个节点都保存一份相同的数据副本，确保了数据的全局一致性。
4. 顺序一致性：ZooKeeper保证来自同一个客户端的更新请求会按照其发送顺序依次执行。
5. 数据更新原子性：ZooKeeper保证每次数据更新操作要么成功，要么失败，不会出现部分更新的情况。
6. 实时性：ZooKeeper能够在一定时间内保证客户端能够读取到最新的数据。

Zookeeper 数据结构

ZooKeeper的数据模型类似于Linux文件系统，整体上可以看作是一棵树，每个节点称为ZNode。每个ZNode默认能够存储1MB的数据，并通过其路径唯一标识。ZNode可以分为持久节点和临时节点两种类型，分别用于存储持久数据和临时数据。

Zookeeper 选举机制

第一次启动选举机制：

1. 当第一台服务器启动时，它会发起一次选举并投自己一票。由于票数不足半数，选举无法完成，服务器状态保持为LOOKING。
2. 当第二台服务器启动时，它会再次发起选举并与第一台服务器交换选票信息。根据选票规则（如服务器ID较大的获胜），第二台服务器可能会成为领导者或继续保持LOOKING状态。
3. 当第三台服务器启动时，它会继续发起选举并与前两台服务器交换选票信息。最终，根据选票规则，一台服务器会成为领导者，其他服务器成为跟随者。

非第一次启动选举机制：

1. 当ZooKeeper集群中的一台服务器出现初始化启动或无法与领导者保持连接时，它会开始进入Leader选举流程。
2. 如果集群中已经存在一个领导者，则新加入的服务器会尝试与领导者建立连接并进行状态同步。
3. 如果集群中不存在领导者，则所有参与选举的服务器会根据EPOCH（每个领导者任期的代号）、ZXID（事务ID）和服务器ID等规则进行投票选举。最终，一台服务器会成为新的领导者。

选举Leader规则：

1. EPOCH大的直接胜出：EPOCH表示每个领导者任期的代号，EPOCH值较大的服务器具有更高的优先级。
2. EPOCH相同，事务ID大的胜出：如果EPOCH相同，则比较事务ID（ZXID），事务ID较大的服务器具有更高的优先级。
3. 事务ID相同，服务器ID大的胜出：如果事务ID也相同，则比较服务器ID（SID），服务器ID较大的服务器具有更高的优先级。

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

部署 Zookeeper 集群

准备 3 台服务器作为 Zookeeper 集群节点

• 192.168.80.10
• 192.168.80.11
• 192.168.80.12

1. 安装前准备

关闭防火墙

systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0

安装 JDK

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

下载安装包

官方下载地址：https://archive.apache.org/dist/zookeeper/

cd /opt
wget https://archive.apache.org/dist/zookeeper/zookeeper-3.5.7/apache-zookeeper-3.5.7-bin.tar.gz

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

编辑 zoo.cfg 文件：

vim zoo.cfg

配置项说明：

• 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 Follower 之间同步通信的超时时间，这里表示如果超过 5*2s，Leader 认为 Follower 死掉，并从服务器列表中删除 Follower。
• 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=192.168.80.10:3188:3288
server.2=192.168.80.11:3188:3288
server.3=192.168.80.12:3188:3288

集群配置项说明：

• 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个 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。

拷贝配置好的 Zookeeper 配置文件到其他机器上

scp /usr/local/zookeeper-3.5.7/conf/zoo.cfg 192.168.80.11:/usr/local/zookeeper-3.5.7/conf/
scp /usr/local/zookeeper-3.5.7/conf/zoo.cfg 192.168.80.12:/usr/local/zookeeper-3.5.7/conf/

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

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
echo 2 > /usr/local/zookeeper-3.5.7/data/myid
echo 3 > /usr/local/zookeeper-3.5.7/data/myid

配置 Zookeeper 启动脚本

vim /etc/init.d/zookeeper

脚本内容：

#!/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

设置开机自启

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

分别启动 Zookeeper

service zookeeper start

查看当前状态

service zookeeper status