一步到位分布式开发Zookeeper实现集群管理

　　说到分布式开发Zookeeper是必须了解和掌握的，分布式消息服务kafka 、hbase 到hadoop等分布式大数据处理都会用到Zookeeper，所以在此将Zookeeper作为基础来讲解。

　　Zookeeper 是分布式服务框架，主要是用来解决分布式应用中经常遇到的一些数据管理问题，如：统一命名服务、状态同步服务、集群管理、分布式应用配置项的管理等等。

　　Zookeeper 的核心是广播，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）和广播模式（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：
　　LOOKING：当前Server不知道leader是谁，正在搜寻。
　　LEADING：当前Server即为选举出来的leader。
　　FOLLOWING：leader已经选举出来，当前Server与之同步。

　　ZooKeeper的安装模式分为三种，分别为：单机模式、集群模式和集群伪分布模式

环境

　　CentOS7.0 (windows中使用就使用zkServer.cmd)

　　ZooKeeper最新版本

　　用root用户安装（如果用于hbase时将所有文件权限改为hadoop用户）

Java环境，最好是最新版本的。

　　分布式时多机间要确保能正常通讯，关闭防火墙或让涉及到的端口通过。

下载

　　去官网下载：http://zookeeper.apache.org/releases.html#download

　　下载后放进CentOS中的/usr/local/ 文件夹中，并解压到当前文件中 /usr/local/zookeeper（怎么解压可参考之前的Haproxy的安装文章）

安装

单机模式

　　进入zookeeper目录下的conf子目录, 重命名 zoo_sample.cfg文件，Zookeeper 在启动时会找这个文件作为默认配置文件:

mv /usr/local/zookeeper/conf/zoo_sample.cfg  zoo.cfg

　　配置zoo.cfg参数

# The number of milliseconds of each tick

tickTime=2000

# The number of ticks that the initial

# synchronization phase can take

initLimit=10

# The number of ticks that can pass between

# sending a request and getting an acknowledgement

syncLimit=5

# the directory where the snapshot is stored.

# do not use /tmp for storage, /tmp here is just

# example sakes.

dataDir=/usr/local/zookeeper/data

dataLogDir=/usr/local/zookeeper/log

# the port at which the clients will connect

clientPort=2181

#

# Be sure to read the maintenance section of the

# administrator guide before turning on autopurge.

#

#http://zookeeper.apache.org/doc/current/zookeeperAdmin.html#sc_maintenance

#

# The number of snapshots to retain in dataDir

#autopurge.snapRetainCount=3

# Purge task interval in hours

# Set to "0" to disable auto purge feature

#autopurge.purgeInterval=1

参数说明:

tickTime：毫秒值.这个时间是作为 Zookeeper 服务器之间或客户端与服务器之间维持心跳的时间间隔，也就是每个 tickTime 时间就会发送一个心跳。
dataDir：顾名思义就是 Zookeeper 保存数据的目录，默认情况下，Zookeeper 将写数据的日志文件也保存在这个目录里。
dataLogDir：顾名思义就是 Zookeeper 保存日志文件的目录
clientPort：这个端口就是客户端连接 Zookeeper 服务器的端口，Zookeeper 会监听这个端口，接受客户端的访问请求。

　　再创建上面配置的data和log文件夹：

mkdir  /usr/local/zookeeper/data

mkdir  /usr/local/zookeeper/log

启动zookeeper

　　先进入/usr/local/zookeeper文件夹

cd /usr/local/zookeeper

　　再运行

bin/zkServer.sh start

　　检测是否成功启动：执行

bin/zkCli.sh

或

echo stat|nc localhost 2181

伪集群模式

　　所谓伪集群, 是指在单台机器中启动多个zookeeper进程, 并组成一个集群. 以启动3个zookeeper进程为例，模拟3台机。
　　将zookeeper的目录多拷贝2份:
　　zookeeper/conf/zoo.cfg文件与单机一样，只改为下面的内容:

tickTime=2000

initLimit=5

syncLimit=2

dataDir=/usr/local/zookeeper/data

dataLogDir=/usr/local/zookeeper/log

clientPort=2180

server.0=127.0.0.1:2888:3888

server.1=127.0.0.1:2889:3889

server.2=127.0.0.1:2890:3890

　　新增了几个参数, 其含义如下:

1 initLimit: zookeeper集群中的包含多台server, 其中一台为leader, 集群中其余的server为follower. initLimit参数配置初始化连接时, follower和leader之间的最长心跳时间. 此时该参数设置为5, 说明时间限制为5倍tickTime, 即5*2000=10000ms=10s.
2 syncLimit: 该参数配置leader和follower之间发送消息, 请求和应答的最大时间长度. 此时该参数设置为2, 说明时间限制为2倍tickTime, 即4000ms.
3 server.X=A:B:C 其中X是一个数字, 表示这是第几号server. A是该server所在的IP地址. B配置该server和集群中的leader交换消息所使用的端口. C配置选举leader时所使用的端口. 由于配置的是伪集群模式, 所以各个server的B, C参数必须不同.
参照zookeeper/conf/zoo.cfg, 配置zookeeper1/conf/zoo.cfg, 和zookeeper2/conf/zoo.cfg文件. 只需更改dataDir, dataLogDir, clientPort参数即可.

在之前设置的dataDir中新建myid文件, 写入一个数字, 该数字表示这是第几号server. 该数字必须和zoo.cfg文件中的server.X中的X一一对应.
/usr/local/zookeeper/data/myid文件中写入0, /usr/local/zookeeper1/data/myid文件中写入1, /Users/apple/zookeeper2/data/myid文件中写入2.

　　分别进入/usr/local/zookeeper/bin, /usr/local/zookeeper1/bin, /usr/local/zookeeper2/bin三个目录, 启动server。启动方法与单机一致。

bin/zkServer.sh start

　　分别检测是否成功启动：执行

bin/zkCli.sh

或

echo stat|nc localhost 2181

集群模式

　　集群模式的配置和伪集群基本一致.
　　由于集群模式下, 各server部署在不同的机器上, 因此各server的conf/zoo.cfg文件可以完全一样.
　　下面是一个示例:

tickTime=2000

initLimit=5

syncLimit=2

dataDir=/usr/local/zookeeper/data

dataLogDir=/usr/local/zookeeper/log

clientPort=2180

server.0=192.168.80.30:2888:3888

server.1=192.168.80.31:2888:3888

server.2=192.168.80.32:2888:3888

　　示例中部署了3台zookeeper server, 分别部署在192.168.80.30, 192.168.80.31, 192.168.80.32上.

　　需要注意的是, 各server的dataDir目录下的myid文件中的数字必须不同，192.168.80.30 server的myid为0, 192.168.80.31 server的myid为1, 192.168.80.32 server的myid为2

　　分别进入/usr/local/zookeeper/bin目录, 启动server。启动方法与单机一致。

bin/zkServer.sh start

　　分别检测是否成功启动：执行

bin/zkCli.sh

或

echo stat|nc localhost 2181

　　这时会报大量错误？其实没什么关系，因为现在集群只起了1台server，zookeeper服务器端起来会根据zoo.cfg的服务器列表发起选举leader的请求，因为连不上其他机器而报错，那么当我们起第二个zookeeper实例后，leader将会被选出，从而一致性服务开始可以使用，这是因为3台机器只要有2台可用就可以选出leader并且对外提供服务(2n+1台机器，可以容n台机器挂掉)。

ZooKeeper服务命令

1. 启动ZK服务: zkServer.sh start

2. 查看ZK服务状态: zkServer.sh status

3. 停止ZK服务: zkServer.sh stop

4. 重启ZK服务: zkServer.sh restart

zk客户端命令：

　　ZooKeeper 命令行工具类似于Linux的shell环境，使用它可以对ZooKeeper进行访问，数据创建，数据修改等操作.

　　使用 zkCli.sh -server 192.168.80.31:2181 连接到 ZooKeeper 服务，连接成功后，系统会输出 ZooKeeper 的相关环境以及配置信息。命令行工具的一些简单操作如下：

1. 显示根目录下、文件： ls / 使用 ls 命令来查看当前 ZooKeeper 中所包含的内容

2. 显示根目录下、文件： ls2 / 查看当前节点数据并能看到更新次数等数据

3. 创建文件，并设置初始内容： create /zk "test" 创建一个新的 znode节点“ zk ”以及与它关联的字符串

4. 获取文件内容： get /zk 确认 znode 是否包含我们所创建的字符串

5. 修改文件内容： set /zk "zkbak" 对 zk 所关联的字符串进行设置

6. 删除文件： delete /zk 将刚才创建的 znode 删除

7. 退出客户端： quit

8. 帮助命令： help

扩展

　　通过上述命令实践，我们可以发现，zookeeper使用了一个类似文件系统的树结构，数据可以挂在某个节点上，可以对这个节点进行删改。另外我们还发现，当改动一个节点的时候，集群中活着的机器都会更新到一致的数据。

zookeeper的数据模型

　　在简单使用了zookeeper之后，我们发现其数据模型有些像操作系统的文件结构，结构如下图所示

(1)    每个节点在zookeeper中叫做znode,并且其有一个唯一的路径标识，如/SERVER2节点的标识就为/APP3/SERVER2
(2)    Znode可以有子znode，并且znode里可以存数据，但是EPHEMERAL类型的节点不能有子节点
(3)    Znode中的数据可以有多个版本，比如某一个路径下存有多个数据版本，那么查询这个路径下的数据就需要带上版本。
(4)    znode 可以是临时节点，一旦创建这个 znode 的客户端与服务器失去联系，这个 znode 也将自动删除，Zookeeper 的客户端和服务器通信采用长连接方式，每个客户端和  服务器通过心跳来保持连接，这个连接状态称为 session，如果 znode 是临时节点，这个 session 失效，znode 也就删除了
(5)    znode 的目录名可以自动编号，如 App1 已经存在，再创建的话，将会自动命名为 App2
(6)    znode 可以被监控，包括这个目录节点中存储的数据的修改，子节点目录的变化等，一旦变化可以通知设置监控的客户端，这个功能是zookeeper对于应用最重要的特性，通过这个特性可以实现的功能包括配置的集中管理，集群管理，分布式锁等等。

选举流程

　　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。
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。

应用场景

　　是指通过指定的名字来获取资源或者服务的地址，提供者的信息。利用Zookeeper很容易创建一个全局的路径，而这个路径就可以作为一个名字，它可以指向集群中的集群，提供的服务的地址，远程对象等。简单来说使用Zookeeper做命名服务就是用路径作为名字，路径上的数据就是其名字指向的实体。

　　阿里巴巴集团开源的分布式服务框架Dubbo中使用ZooKeeper来作为其命名服务，维护全局的服务地址列表。在Dubbo实现中：

服务提供者在启动的时候，向ZK上的指定节点/dubbo/${serviceName}/providers目录下写入自己的URL地址，这个操作就完成了服务的发布。

服务消费者启动的时候，订阅/dubbo/{serviceName}/providers目录下的提供者URL地址，并向/dubbo/{serviceName} /consumers目录下写入自己的URL地址。

　　注意，所有向ZK上注册的地址都是临时节点，这样就能够保证服务提供者和消费者能够自动感应资源的变化。

　　另外，Dubbo还有针对服务粒度的监控，方法是订阅/dubbo/{serviceName}目录下所有提供者和消费者的信息。