<zk在大型分布式系统中的应用>

Hadoop

• 在hadoop中，zk主要用来实现HA(High Availability)。这部分逻辑主要集中在hadoop common的HA模块中，HDFS的NameNode和Yarn的ResourceManager都是基于此HA模块来实现自己的HA功能的。同时，在YARN中又特别提供了zk来存储应用的运行状态。

YARN

• Yarn主要由ResourceManager、NodeManager、ApplicationMaster和Container四部分组成。
• 其中最核心的就是RM，它作为全局的资源管理器，负责整个系统的资源管理和分配。

RM单点问题

• RM是YARN中非常复杂的一个组件，负责集群中所有资源的统一管理和分配，同时接受各个NM的资源汇报信息，并把这些信息按照一定的策略分配给各个app。
• ResourceManager HA的解决方案就是使用 Active/Standby模式的RM HA架构。
  
• 可以看到，在运行期间会有多个RM存在，但只有一个处于Active状态，其他的是standby。当active节点无法正常工作时，其余处于standby的节点则会通过竞争选举产生新的节点。

主备切换

• • RM使用基于zk实现的ActiveStandbyElector组件来确定RM的状态：Active或Standby。
    具体做法如下：
    1. 创建锁节点：在zk上有一个类似于/yarn-leader-election/pseudo-yarn-rm-cluster的锁节点，所有rm在启动时都会去竞争一个lock子节点/yarn-leader-election/pseudo-yarn-rm-cluster/ActiveStandbyElectorLock，该节点是临时节点。
    2. 注册Watcher监听：所有standby状态的rm都会向/yarn-leader-election/pseudo-yarn-rm-cluster/ActiveStandbyElectorLock节点注册一个节点变更的Watcher监听，利用临时节点的特性，能快速感知到Active状态的RM的运行状态。
    3. 主备切换：当active节点不可用时，其对应zk上的Lock节点也会随之被删除，其他standby状态的rm都会接收到zk server的watcher事件通知，然后重复步骤1。
  • 以上，实际上就是通过临时节点 + Watcher事件通知来实现的。
  • HDFS中的NameNode和RM模块都是使用ActiveStandbyElector组件来实现各自的HA的。

Fencing(隔离)

• 在分布式环境中，经常会出现诸如单机“假死”的情况。所谓“假死”是指机器由于网络闪断或是自身负载过高(常见的有GC占用时间过长或CPU的负载过高等)而导致无法正常地对外进行及时响应。
• 在上述主备切换过程中，我们假设RM集群由rm1和rm2组成，且rm1为active，rm2为standby。某一刻rm1发生“假死”现象，此时zk认为rm1挂了，从而主备切换，rm2称为active。但是随后，rm1恢复了正常，其依然认为自己还处于active。那么就出现了我们常说的分布式“脑裂”(Brain-Split)现象，即存在多个处于Active状态的rm各司其职。
• Yarn引入了Fencing机制来解决上述问题，即借助zk数据节点的ACL权限控制机制来实现不同rm之间的隔离。
• 具体做法很简单：在主备切换过程中，多个rm之间通过竞争创建锁节点来实现主备状态的确定。这个过程中，有一点需要改进：创建的根节点必须携带zk的ACL信息，目的是为了独占该根节点，以防止其他RM对该节点进行更新。
• 具体来说：
  • RM1出现假死之后，zk就会将其创建的锁节点移除，此时RM2会创建相应的锁节点，并切换为Active状态。RM1恢复之后，会试图去更新zk的相关数据，但是此时发现自己没有权限更新zk的相关数据节点。从而rm1自动切换到Standby状态。

RM状态存储

• 在RM中，RMStateStore能够存储一些RM内部状态信息，包括Application以及它们的Attempts信息、Delegatioln Token及Version Information等。
• RMStateStore中绝大多数信息都是不需要持久化存储，因为很容易从上下文信息中将其重构出来。
• 在存储的设计方案中，提供了三种可能的实现，分别如下：
  • 基于内存实现，一般用于日常开发测试；
  • 基于文件系统的实现，如HDFS；
  • 基于zk的实现。
• 由于这些状态数据量都不大，因此hadoop官方建议基于zk来实现状态信息存储。
• 在zk上，rm的状态信息都存储在/rmstore这个根节点上，其数据节点的组织结构如下：
  
• Please read this link.

HBase

• HBase是一个基于Hadoop文件系统设计的面向海量数据的高可靠性、高性能、面向列、可伸缩的分布式存储系统。
• 与大部分分布式NoSQL数据库不同的是，HBase针对数据写入具有强一致性，甚至包括索引列也实现了强一致性。
• HBase整体架构如下图：
  
• 可以看到，在整个HBase架构体系中，zk是串联起HBase集群与client的关键所在。
• 早期Hbase没有引入zk时，存在一系列问题：
  • RegionServer挂掉时，系统无法及时得知信息，client也无法知晓，因此服务难以迁移至其他RegionServer上
  • 类似的问题都是缺少相应的分布式协调组件。
• 下面从以下几个方面讲解zk在HBase中的应用场景。

系统冗错

• （系统冗错其实就是监控rs
• 当HBase启动时，每个RegionServer都会到zk的/hbase/rs节点下创建一个信息节点(rs状态节点)，例如/hbase/rs/[Hostname]，同时HMaster会监听该节点。
• 当某个rs挂掉时，zk会因为在一段时间内无法接受其心跳信息(即Session失效)，而删除掉该rs对应的rs状态节点。同时，HMaster收到zk的NodeDelete通知，并立即开始冗错工作：
  • HMaster会将该RegionServer所处理的数据分片(Region)重新路由到其他节点上，并记录到Meta信息中供client查询。
• 那么，为什么不直接让HMaster来负责RegionServer的监控呢？是因为通过心跳机制来管理rs状态会使HMaster的负载随着系统容量而不断增大。并且，HMaster可能挂掉，因此数据还需要持久化。

RootRegion管理

• 对HBase集群而言，数据存储的位置信息是记录在元数据分片，也就是RootRegion上的。每次client发起新的请求，需要知道数据的位置，就会去查询RootRegion，而RootRegion自身的位置是记录在zk上的。当RootRegion发生变化，比如Region的手工移动、Balance或是RootRegion所在server发生故障等时，就能通过zk来感知到这一变化并做出一系列容灾措施。

Region状态管理

• Region是HBase中数据的物理切片，每个Region中记录了全局数据的一小部分。
• 对一个分布式系统而言，Region是会经常发生变更的。一旦Region发生移动，它必然会经历Offline和重新Online的过程。
• Offline期间数据是不能被访问的，并且Region的这个状态必须被全局知晓，否则可能会出现事务性的异常。

分布式SplitLog任务管理

• 当某台RS挂掉时，由于总有一部分新写入的数据还没有持久化到HFile中，因此在迁移该RegionServer的服务时，一个重要的工作就是从HLog中恢复这部分还在内存中的数据(WAL)。
• 而这部分工作最关键的一步就是SpitLog，即HMaster需要遍历该RS的HLog，并按Region切分成小块移动到新地址下，并进行数据的Replay。
• 由于单个RS的日志量相对庞大(可能有数千个Region，上GB的日志)，一个快速恢复的可行方案就是将这个处理HLog的任务分配给多台rs来共同处理。
• 因此需要一个持久化组件来辅助HMaster完成任务的分配。当前的做法是，在zk上创建一个splitlog节点，将rs和待处理的region之间的映射关系存放到该节点。然后各个rs到该节点上领取任务并在执行后将成功or失败的信息更新到节点。
• 整个过程中，zk担负了分布式集群中相互通知和信息持久化的角色。

Kafka

• kafka：开源分布式消息系统
• 主要用于实现低延迟的发送和收集大量的事件和日志数据。
• kafka是一个吞吐量极高的分布式消息系统，其整体设计是典型的发布与订阅模式。
• 在kafka集群中，没有“中心主节点”的概念，所有server都是对等的。 -->   因而可以在不做任何配置更改的情况下实现server的添加和删除。同样，消息的生产者和消费者也能够随意重启和机器的上下线。
• kafka中生产者和消费者之间的部署关系如下图：
  

术语介绍

• Kafka是一个近似符合JMS规范的消息中间件实现。
• producer：
• consumer：
• topic：由用户定义并配置在kafka server端，用于建立producer和consumer之间的订阅关系
• partition：一个topic下面会分为多个分区
• broker：kafka的服务器，用于存储消息。
• group：用于归组同类消费者
• offset：

Broker注册

• 虽然broker是分布式部署并且相互之间是互相独立运行的，但还是需要有一个注册系统能够将整个集群中的broker server都管理起来。  -->   在kafka的设计中，选择了使用zk来进行所有broker的管理。
• broker节点：/brokers/ids   -->    每个broker sever启动时都会到zk上注册 /broker/ids/[0...N]  (临时节点，以动态表征broker server的可用性)，broker会把自己的IP和port写入该节点。
• 可以看出每个broker节点都有一个全局唯一的 Broker ID.

Topic注册

• kafka中，用一个topic的消息会分成多个partition并分布到多个broker中。   -->   映射关系由zk维护。
• topic节点：/brokers/topics/[topic]   （临时节点）

生产者负载均衡

• 因为同一个topic会被分区从而分布到不同的broker server上。因而生产者需要将消息合理地发送到这些分布式的broker上。 -->  从而产生了如何进行生产者负载均衡的问题。
• 对于生产者的负载均衡，kafka支持传统的四层负载均衡，同时也支持使用zk的方式来实现负载均衡。

四层负载均衡

• 设计简单：根据生产者的IP地址和端口来为其确定一个相关联的broker。通常一个生产者只会对应单个broker。
• 优点：1. 整体逻辑简单，不需要引入第三方系统。2. 每个producer只需与broker维护单个TCP链接即可。
• 缺点：1. 无法做到真正的负载均衡。因为每个producer产生的消息量不同，从而导致不同broker接收到的消息总数非常不均匀。2. 生产者无法实时感知到broker的新增与删除。

使用zk进行负载均衡

• 在kafka中，client使用了基于zk的负载均衡策略来解决producer的负载均衡问题。
• kafka producer会对zk上的“broker的新增与减少”、“Topic的新增与减少”和“Broker与Topic关联关系的变化”等事件注册watcher监听，从而实现一种动态的负载均衡机制。

消费者负载均衡

• kafka consumer也需要进行负载均衡来实现多个consumers合理地从对应broker server上接收消息。（生产者负载均衡则是producer合理地选择broker来发送消息）
• 对于一个消费者分组，如果组内的consumers发生变更或broker server发生变更，会触发消费者负载均衡。
• 关于consumer group：group是对整个kafka集群的概念，kafka保证每条消息在同一个group内只会被某一个consumer消费。(比如说kafka + Spark streaming的组合，那么所有的streaming executor组成一个group，去消费某个topic。)
• kafka提供的consumer负载均衡算法：
  • topic的所有消息分区Pt  -->  需要对Pt进行排序，从而使分布在同一个broker server的分区尽量靠在一起。
  • 同一个group中的所有消费者Cg  -->  对Cg进行排序。
  • N = size(Pt) / size(Cg)
  • 将编号为 i * N ~ (i + 1) * N - 1的消息分区分配给消费者Ci
  • 更新zk上消息分区与消费者Ci的关系

kafka小结

• kafka从设计之初就是一个大规模分布式消息中间件，其server端存在多个broker，同时为了达到负载均衡，将每个topic的消息分成了多个partition，并分布在不同broker上。多个消费者和生产者能够同时发生和接收消息。
• kafka使用zk作为其分布式协调框架，能很好地将消息生产、消息存储和消息消费结合起来。借助zk，来保持包括producer、consumer和broker在内的所有组件无状态情况下，建立起producer和consumer之间的订阅关系，并实现了producer和consumer的负载均衡。