如何實現(xiàn)zookeepr分析

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zk 一個分布式應(yīng)用協(xié)調(diào)服務(wù)

zk是一個分布式，開源的，分布式協(xié)調(diào)服務(wù)，他提供了一組簡單的原生接口，分布式應(yīng)用可以基于它實現(xiàn)，高水準的同步，集群，配置管理和命名服務(wù)。它基于開發(fā)，使用簡單的原則而設(shè)計。使用類似于文件系統(tǒng)目錄樹結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型。它基于java實現(xiàn)，可以為c和java應(yīng)用服務(wù)。

協(xié)調(diào)是個臭名昭著的活兒。很容易產(chǎn)生資源競爭和死鎖的問題。zk的實現(xiàn)動機就是緩解分布式應(yīng)用在解決彼此斜體問題而產(chǎn)生的抓狂行為。

zk的設(shè)計目標

zk 是個簡單的玩意兒。zk通過分布式的處理流程來協(xié)調(diào)應(yīng)用彼此，它是使用的是一種類似文件系統(tǒng)的分層名字空間。這些名字空間里，包含了數(shù)據(jù)的注冊者，用zk的叫法，稱之為znodes.它類似于文件和目錄。不像傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)，是用來存儲的，zk的數(shù)據(jù)都在內(nèi)存中，所以意味著，zk的高吞吐量和底延時。zk 實現(xiàn)了一個優(yōu)質(zhì)的，高新能，高可用，嚴格訪問順序的服務(wù)。從zk的表現(xiàn)來看，它完全可以使用，大型，分布式系統(tǒng)。在可用上，也使它不會碰到單點故障的問題，嚴格的順序性，也意味著可以在客戶單實現(xiàn)非常復(fù)雜的同步操作。

zk 是可復(fù)制的。像它協(xié)調(diào)的應(yīng)用一樣，zk自身也復(fù)制到一系列主機上。他們是一個整體。如圖 zk server

所有組成zk server的 severs 必須彼此能感知對方。他們在內(nèi)存里維護一個所有機器的狀態(tài)圖，在磁盤里保存有實務(wù)日志和快照。只要大多數(shù)服務(wù)器可用。zk服務(wù)就可用。

客戶端連接到單一的服務(wù)器，通過tcp協(xié)議，發(fā)送請求，獲得反饋，獲得監(jiān)聽事件，發(fā)送心跳包。如果連接的服務(wù)器掛掉，客戶端會連接其他的服務(wù)機器。

zk 是順序的。zk的每次更新都會用一個數(shù)字做標簽，這個數(shù)字，代表了全部的zk事務(wù)順序，接下來的操作用這個順序來實現(xiàn)高水平的抽象，比如同步操作。

zk 是快速的。zk 在讀為主的操作中，顯得特別的快。zk 運行在上千臺機器上，當讀操作為主的請求中，表現(xiàn)會更好。讀寫比為10:1。

數(shù)據(jù)模型和命名層次

zk 提供的命名空間像一個標準的文件系統(tǒng)。一個名字，就是它的路徑以（/）分隔的組合，在zk中每個節(jié)點，都已路徑來唯一標識。zk的層次命名結(jié)構(gòu)如圖

Nodes 和短命的nodes

不像傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)，在zk里每個node和它的孩子node，都有數(shù)據(jù)和他們關(guān)聯(lián)。他們像個這樣一個文件系統(tǒng)，即每個文件也是目錄。（zk節(jié)點里存儲的數(shù)據(jù)，包括狀態(tài)信息，配置，本地信息等，所以數(shù)據(jù)量都不大通常只有幾字節(jié)或者幾千字節(jié)），為了說清楚zk node.我們把它稱作znode，znode 維護這一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括狀態(tài)更改的版本號，acl 更改的信息和時間戳去用和套東西區(qū)驗證和協(xié)調(diào)的更新。如果以個node的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，它的版本號也會變化。比如一個客戶端讀取一個node數(shù)據(jù)，也會得到它的版本號。存儲在node里的數(shù)據(jù)讀寫都是原子的。讀會讀所有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，寫也會替換所有的數(shù)據(jù)，不會半途而廢。每個節(jié)點都有個訪問控制列表（acl）,嚴格限制誰能干什么！

zk里還有個短命node的概念。這些node和創(chuàng)建這個節(jié)點的session生命一樣長。當這個session關(guān)閉時，這個node也就自動刪除了。短命node在你開發(fā)實現(xiàn) 【tbd】是很重要。

有條件的更新和監(jiān)控

 zk 支持監(jiān)控的概念，客戶端可以對一個節(jié)點進行監(jiān)控，當這個節(jié)點發(fā)生變化時，監(jiān)控被觸發(fā)同時被刪除，當監(jiān)控被觸發(fā)，客戶端收到一個數(shù)據(jù)更改的數(shù)據(jù)包。還有當客戶端和服務(wù)端連接斷開，客戶端也會收到一個通知。這個在【tbd】中很有用。

保證

zk 簡單快速，就像他的開始的目標一樣，是構(gòu)造復(fù)雜系統(tǒng)的基礎(chǔ)，比如，同步系統(tǒng)。實際上它有一下保證:

時序一致性：更新操作會以客戶端發(fā)送的順序被執(zhí)行。

原子性：更新要么失敗，要么成功沒有部分成功的狀態(tài)。

狀態(tài)圖統(tǒng)一：一個客戶端無論它連接到哪個機器，所有機器圖譜一致。

可靠性：一個更新被應(yīng)用，就會一直有效，直到有新的數(shù)據(jù)覆蓋。

時間線：客戶端某個時間段內(nèi)看到的系統(tǒng)狀態(tài)圖，保證是最新的。

更多這些方面的應(yīng)用，可以參看【tbd】

簡單的api

zk設(shè)計之初就是提供簡單的程序接口，所以，它僅僅支持一下操作：

create :在節(jié)點樹上，創(chuàng)建一個節(jié)點

delete:刪除一個節(jié)點

exists:檢查一個節(jié)點是否存在

get data:從一個節(jié)點獲取數(shù)據(jù)

set data：向一個節(jié)點寫數(shù)據(jù)

get children:獲取一個節(jié)點的孩子節(jié)點

sync:等待數(shù)據(jù)傳播同步

關(guān)于這方面的更深的技術(shù)討論，和在構(gòu)建高水平應(yīng)用方面的實踐，可以參考【tbd】

技術(shù)實現(xiàn)

下面是zk 服務(wù)組件圖，處理請求處理器外，每個zk組件都有復(fù)制的多份。

每個機器上的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，都包含整個數(shù)據(jù)，更新日志記錄到磁盤，寫操作被序列化到磁盤在它擴散同步到其他內(nèi)存數(shù)據(jù)庫之前。

每個zk 主機都對外提供服務(wù)，客戶端連接某一個主機請求服務(wù)。讀的服務(wù)從客戶連接的機器本身內(nèi)存里獲取，寫服務(wù)和改變服務(wù)狀態(tài)的請求通過一個一致的協(xié)議處理。

這個一致的協(xié)議要求，所有寫請求都統(tǒng)一發(fā)送到一個叫l(wèi)eader的主機。剩下的被稱作followers的zk主機,通過leader 接收數(shù)據(jù)消息，消息層負責(zé)leaders的失敗替換和leaders和followers之間的同步。

zk使用的是原子性的消息協(xié)議，因為消息是原子性的，所以能保證本地的信息與其他主機信息是一致沒有分歧的。當leader收到一個寫請求后，它會評估服務(wù)器狀態(tài)，決定什么時候?qū)?，然后啟動寫事?wù)，最后獲取服務(wù)請的新狀態(tài)。

應(yīng)用

zk的使用接口尤其的簡單，你可以通過他實現(xiàn)，順序操作，比如同步，群組管理等，許多分布式應(yīng)有使用它，想了解更多，關(guān)注【tbd】。

表現(xiàn)

zk被設(shè)計成高可用，是不是這樣呢？在yahoo的開發(fā)組的調(diào)查說明了它是的。當讀遠大于寫操作的時候，它表現(xiàn)的尤其的高性能，因為寫操作要同步所有的服務(wù)器狀態(tài)。（讀遠大于寫是經(jīng)典的協(xié)調(diào)服務(wù)案例），下圖是zk讀寫比率變化的測試結(jié)果圖表

這個圖表的測試數(shù)據(jù)是，3.2版本的zk 運行在雙核2Ghz Xeon處理器和兩個15k轉(zhuǎn)速的sata設(shè)備上的測試數(shù)據(jù)，一個磁盤專門做zk日志，一個寫寫數(shù)據(jù)快照，讀寫操作都是1k大小，servers 表示zk服務(wù)，組成主機數(shù)目，接近30個其他主機模擬客戶機，zk服務(wù)被配置成，leader不允許從客戶端連接。另外說明下，3.2讀寫性能是3.1版本的兩倍。

測試結(jié)果也說明了zk的可靠性，下圖顯示了在各種錯誤下服務(wù)器的表現(xiàn)，這些錯誤包含以下幾種:

1,follower 機器的當?shù)艉突謴?fù)。

2,另外一個follower的當?shù)艉突謴?fù)。

3,leader的當?shù)簟?/p>

4,兩個follower同時當?shù)簟?/p>

5,另外一個leader的當?shù)簟?/p>

可用性

這個圖里顯示了，我們有7個主機組成的zk服務(wù)器，在一段時間內(nèi)我們注入錯誤的系統(tǒng)表現(xiàn)。這次測試我們和以前跑同樣的訪問飽和度，有一點們把寫的比率維持在30%，這也是我們比較保守負載比例。

從張圖里，可以看出一下重要的幾點，當followers 掛掉并很快恢復(fù)是，zk能保持很高的吞吐量。更重要是，leader選舉算法能讓系統(tǒng)很快恢復(fù)，以保持它的高吞吐量?？梢钥吹絲k花了不到200ms選舉新的leader.第三點，當follower恢復(fù)處理能力是，zk的吞吐量又開始維持在高水平。

zookeepr 項目

zk 已經(jīng)成功的在多個工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用。比如在yahoo.它負責(zé)協(xié)調(diào)yahoo的失敗恢復(fù)。上千個主題訂閱高擴展的信使服務(wù)，和數(shù)據(jù)傳輸。yahoo的獲取服務(wù)，crawler,也負責(zé)它的失敗恢復(fù)協(xié)調(diào)。作為yahoo的一員，廣告也是通過zk實現(xiàn)高可用性。

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