ZooKeeper 原理與伺服器集群部署

ZooKeeper 是大型分布式系統中可靠的協調系統，它以樹狀結構存儲數據，以領導選舉和信息同步機制保證了集群的高可用性，以事件通知機制協助事件訂閱者及時捕獲數據的變化，可協助實現 Dubbo、Kafka 等架構。本文以 CentOS 和 Windows 為例，總結了 ZooKeeper 集群的部署操作，並以自帶的腳本命令操作其數據。

1.概述

ZooKeeper 是 Hadoop 的一個子項目，是大型分布式系統中可靠的協調系統。分布式應用程式以此實現更高級別的服務，可用於分布式系統的配置維護、名字服務、分布式同步、組服務等：

用於 Dubbo: 作為配置中心;

用於 Kafka: 作為 Broker/Producer/Consumer 共享的配置中心。

官網首頁: https://zookeeper.apache.org/

官網文檔: https://zookeeper.apache.org/doc/current/

1.1 ZAB協議

集群間通過 ZAB(ZooKeeper Atomic Broadcast)協議保持數據一致性，該協議包括兩個階段：

1.1.1 領導選舉(Leader Election)

選舉出一個 Leader(所有寫操作傳送給 Leader)，其他機器被稱為 Follower;

當前 Leader 崩潰或失去大多數 Follower 後，會選舉出新的 Leader;

1.1.2 信息同步(Atomic broadcast)

用於同步 Leader 與 Follower 之間的信息，保證數據一致。

1.2 內部原理

https://zookeeper.apache.org/doc/current/zookeeperOver.html

存儲方式與標準文件系統非常相似，每個節點稱作 znode，本身包含數據，還可以擁有子節點。

客戶端以TCP連接一台節點，該節點故障時，客戶端會切換至其他節點。

客戶端可以訂閱某些節點的事件(watcher機制)，當節點內容或其子節點有變化時，客戶端會收到通知。

• 高性能：多讀少寫的情況下，速度很快;存儲於內存中，並有持久存儲中的事務日誌和快照;
• 高可用性(無中心化結構可避免單點故障): 個別節點故障不影響整體使用;
• 監視機制: 客戶端可以監視一個結點(node)，當結點斷開或有修改時，客戶端會收到通知;
• 順序一致性: 來自客戶端的更新將按照它們發送的順序進行應用。
• 原子性: 保證數據完整、一致，更新成功或失敗，沒有部分結果。
• 單系統映像: 無論伺服器連接到哪個伺服器，客戶端都會看到相同的服務視圖。
• 可靠性: 一旦更新被應用，它將一直持續到客戶覆蓋更新。
• 及時性: 系統的客戶觀點在一定的時間範圍內保證是最新的。

1.3 系統要求

ZooKeeper 以 Java 版本運行，Java 版本要求為 1.6+;

支持的作業系統包括: GNU/Linux, Solaris, FreeBSD, Windows。

2.Linux 下安裝

https://zookeeper.apache.org/doc/current/zookeeperStarted.html

2.1 下載並解壓(35M)

# https://archive.apache.org/dist/zookeeper/ 
# https://archive.apache.org/dist/zookeeper/zookeeper-3.4.11/ 
wget https://archive.apache.org/dist/zookeeper/zookeeper-3.4.11/zookeeper-3.4.11.tar.gz 
sudo rm -rf /opt/zookeeper-3.4.11 
sudo tar -zxf zookeeper-3.4.11.tar.gz -C /opt 
sudo chown -R root:root /opt/zookeeper-3.4.11 
sudo rm -rf /opt/zookeeper-3.4.11/bin/*.cmd 

2.2 設置環境變量

## sudo vim /etc/profile ## 所有用戶有效 
export ZOOKEEPER_HOME=/opt/zookeeper-3.4.11 
export PATH=$PATH:$ZOOKEEPER_HOME/bin 

文件保存後，Linux用戶重新登錄後生效。

2.3 準備目錄與配置文件

# sudo vim $ZOOKEEPER_HOME/bin/zkInit.sh 
# sudo -E sh $ZOOKEEPER_HOME/bin/zkInit.sh 
for INDEX in {1..3}; do 
 sudo rm -rf $ZOOKEEPER_HOME/{data,logs}/$INDEX 
 sudo mkdir -p $ZOOKEEPER_HOME/{data,logs}/$INDEX 
 echo $INDEX | sudo tee $ZOOKEEPER_HOME/data/$INDEX/myid > /dev/null 
 
 # zoo.cfg 參考: grep -v "^#" $ZOOKEEPER_HOME/conf/zoo_sample.cfg 
 cat > $ZOOKEEPER_HOME/conf/zoo-$INDEX.cfg << EOF 
tickTime=2000 ## ZooKeeper 的最小時間單位(ms) 
initLimit=10 ## 投票選舉新 leader 的初始化時間(以 tickTime 為單位) 
syncLimit=5 ## Leader 檢測 Follower 可用性心跳的超時時間(以 tickTime 為單位) 
clientPort=218$INDEX ## 客戶端用來連接 ZooKeeper 的埠 
dataDir=$ZOOKEEPER_HOME/data/$INDEX ## 數據目錄(存儲內存資料庫快照) 
dataLogDir=$ZOOKEEPER_HOME/logs/$INDEX ## 日誌目錄(存儲事務日誌) 
server.1=localhost:2281:2291 
server.2=localhost:2282:2292 
server.3=localhost:2283:2293 
EOF 
done 

其中的 clientPort=218$INDEX 是提供給客戶端連接的埠(2181,2182,2183);

其中的 server.N = hostname : port1 : port2：

• N(1,2,3): 「必須」是一個數字(表示這是第幾號server)，否則報錯 java.lang.NumberFormatException: For input string: "xxx"
• hostname(localhost): 是該 server 所在的域名或IP位址，為了通用，可替換為域名zk{n}.company.com 並在 hosts 里配置;
• port1(2281,2282,2283): 當前 server 是 leader 時，監聽此埠接受 followers 的連接，注意followers不會監聽此埠(直到它升級為 leader)
• port2(2291,2292,2293): 是選舉 leader 時所使用的埠。

必須生成文件 $ZOOKEEPER_HOME/data/%n/myid，其內容為 zoo.cnf 中的 N(伺服器ID), 否則拋出異常 java.lang.IllegalArgumentException: $ZOOKEEPER_HOME/data/{n}/myid file is missing

2.4 服務的配置並啟動

## sudo vim /usr/lib/systemd/system/[email protected] 
## 其中的 %i 將來會被替換為具體的 1/2/3 
[Unit] 
Description=ZooKeeper 
After=syslog.target network.target 
 
[Service] 
Type=forking 
Environment="ZOOCFG=zoo-%i.cfg" 
ExecStart=/opt/zookeeper-3.4.11/bin/zkServer.sh start 
ExecStop=/opt/zookeeper-3.4.11/bin/zkServer.sh stop 
 
[Install] 
WantedBy=multi-user.target 

配置為自動啟動，並立即啟動：

sudo systemctl daemon-reload 
sudo systemctl enable zookeeper@{1,2,3} 
sudo systemctl start zookeeper@{1,2,3} 
sudo netstat -natp | grep LISTEN | grep -E "218|228|229" 
# sudo systemctl stop zookeeper@{1,2,3} 

2.5 防火牆放行

如果非本機應用需要連接 ZooKeeper，必須把所有 clientPort 埠放行。

### sudo vim /etc/sysconfig/iptables 
-A INPUT -m state --state NEW -m tcp -p tcp --dport 2181 -j ACCEPT 
-A INPUT -m state --state NEW -m tcp -p tcp --dport 2182 -j ACCEPT 
-A INPUT -m state --state NEW -m tcp -p tcp --dport 2183 -j ACCEPT 
### 重啟生效: sudo systemctl restart iptables 

2.6 客戶端驗證

zkCli.sh -server localhost:2181 ## 進入命令行狀態 
help ## 顯示所有命令格式 
quit ## 退出命令行狀態 
history ## 顯示歷史命令 
 
ls path [watch] 
createpath data acl 
delete path [version] 
set path data [version] 
get path [watch] 
stat path [watch] 
sync path 
 
listquota path 
setquota -n|-b val path 
delquota [-n|-b] path 
 
addauth scheme auth 
setAcl path acl 
getAcl path 
 
printwatches on|off 
redo cmdno 

也可集連接和命令於一行：

zkCli.sh -server localhost:2181 ls / 

2.7 清空數據【慎用】

sudo systemctl stop zookeeper@{1,2,3} 
sudo rm -rf $ZOOKEEPER_HOME/{logs,data}/{1,2,3}/version-* 
sudo systemctl start zookeeper@{1,2,3} 

2.8 卸載服務【慎用】

sudo systemctl stop zookeeper@{1,2,3} 
sudo systemctl disable zookeeper@{1,2,3} 
sudo rm -rf $ZOOKEEPER_HOME 

3.Windows 下安裝(可用於開發)

3.1 下載

https://archive.apache.org/dist/zookeeper/

https://archive.apache.org/dist/zookeeper/zookeeper-3.4.11/

https://archive.apache.org/dist/zookeeper/zookeeper-3.4.11/zookeeper-3.4.11.tar.gz

3.2 安裝

3.2.1 解壓

3.2.2 修改系統環境變量

set ZOOKEEPER_HOME={???}\\zookeeper-3.4.11 
set PATH=%ZOOKEEPER_HOME%\\bin 

3.2.3 修改 conf\\zoo-%n.cfg

cd/d %ZOOKEEPER_HOME% 
del /q bin\\*.sh 
rd/s/q data logs 
for %n in (1,2,3) do @mkdir logs\\%n 
for %n in (1,2,3) do @mkdir data\\%n 
for %n in (1,2,3) do @echo %n> data\\%n\\myid 
for %n in (1,2,3) do @copy/b conf\\zoo_sample.cfg conf\\zoo-%n.cfg 

修改文件 conf\\zoo-%n.cfg 如下(分別替換其中的 %n 為 1,2,3)：

tickTime=2000 
initLimit=10 
syncLimit=5 
clientPort=218%n 
dataDir=D:/Software/Architecture/zookeeper-3.4.11/data/%n 
dataLogDir=D:/Software/Architecture/zookeeper-3.4.11/logs/%n 
server.1=localhost:2281:2291 
server.2=localhost:2282:2292 
server.3=localhost:2283:2293 

參數說明與 Linux 中相關內容一樣。

3.2.4 修改腳本

刪除 bin\\zkEnv.cmd 中的 set ZOOCFG=%ZOOCFGDIR%\\zoo.cfg 一行;

for %n in (1,2,3) do @copy/b bin\\zkServer.cmd bin\\zkServer%n.cmd 

修改各個文件 zkServer%n.cmd 在 call "%~dp0zkEnv.cmd" 之前加一行：

set ZOOCFG=%~dp0%..\\conf\\zoo-%n.cfg，注意替換 %n 分別為 1/2/3

3.3 啟動服務

zkServer1.cmd 
zkServer2.cmd 
zkServer3.cmd 

3.4 客戶端驗證

zkCli.cmd -server centos:2181 ## 連接 Linux 上服務 
zkCli.cmd -server localhost:2181 ## 連接本機上服務 
## 更多內容參見前面 Linux 中相應部分 

4.集群部署(生產環境)

管理員指南: https://zookeeper.apache.org/doc/current/zookeeperAdmin.html

• 要求至少為三台 ZooKeeper 伺服器，最好是奇數個伺服器(以便多數正常機器處理少數機器的故障)，通常三台足夠了，如果想更可靠，可增加至五台;
• 為避免各伺服器同時發生故障，最好部署在不同機器、不同網絡交換機(電路、冷卻系統等)、甚至不同機房;
• 為避免內存交換，要設置足夠大的 JVM 堆，比如 4G 機器可指定 3G;