08_ZooKeeper一

 

 

 

目标

1. 学会ZooKeeper的基本使用：命令行、Java编程

2. 理解ZooKeeper watcher监听器工作原理：注册、监听事件、回调函数（考点）

3. 能独立描述出ZooKeeper选举过程（难点、考点）

4. 理解、并讲述客户端从ZooKeeper读写的过程（考点）

一、ZooKeeper概述

1. 为什么要用ZooKeeper

• 分布式框架多个独立的程序协同工作比较复杂。开发人员容易花较多的精力实现如何使多个程序协同工作的逻辑，导致没有时间更好的思考实现程序本身的逻辑，或者开发人员对程序间的协同工作关注不够，造成协调问题，且这个分布式框架中协同工作的逻辑是共性的需求

• ZooKeeper简单易用，能够很好的解决分布式框架在运行中，出现的各种协调问题。

• 比如集群master主备切换、节点的上下线感知、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

2、什么是ZooKeeper?

• ZooKeeper（主从架构）

  • 是一个分布式的，开放源码的分布式应用程序协调服务，

  • 是Google的Chubby一个开源的实现，是Hadoop和Hbase的重要组件。

  • 是一个为分布式应用提供一致性服务的软件，提供的功能包括：配置维护、域名服务、分布式同步、组服务等。

  • 目标就是封装好复杂易出错的关键服务，将简单易用的接口和性能高效、功能稳定的系统提供给用户

• Zookeeper 作为一个分布式的服务框架

  • 主要用来解决分布式集群中应用系统的一致性问题

  • 它能提供基于类似于文件系统的目录节点树方式的数据存储，

  • Zookeeper 作用主要是用来 维护和监控存储的数据的状态变化，通过监控这些数据状态的变化，从而达到基于数据的集群管理

 

3、ZooKeeper应用场景

• ZooKeeper应用场景

 

1. NameNode使用ZooKeeper实现高可用.

2. Yarn ResourceManager使用ZooKeeper实现高可用.

3. 利用ZooKeeper对HBase集群做高可用配置

4. kafka使用ZooKeeper

   • 保存消息消费信息比如offset.

   • 用于检测崩溃

   • 主题topic发现

   • 保持主题的生产和消费状态

 

二. ZooKeeper应用使用

从下图观察：ZooKeeper集群目前有两种角色：leader、follower；

ZooKeeper集群也是主从架构的：leader为主；follower为从

通过客户端操作ZooKeeper集群，有两种类型的客户端

①命令行zkCli

②Java编程

 

2.1 zkCli命令行（30分钟）

1、集群命令（每个节点运行此命令）

客户端连接zkServer服务器

# 1、启动ZooKeeper集群；在ZooKeeper集群中的每个节点执行此命令
${ZK_HOME}/bin/zkServer.sh start

# 2、停止ZooKeeper集群（每个节点执行以下命令）
${ZK_HOME}/bin/zkServer.sh stop

# 3、查看集群状态（每个节点执行此命令）
${ZK_HOME}/bin/zkServer.sh status

# 4、使用ZooKeeper自带的脚本，连接ZooKeeper的服务器
bin/zkCli.sh -server node01:2181,node02:2181,node03:2181

说明：-server选项后指定参数node01:2181,node02:2181,node03:2181，客户端随机的连接三个服务器中的一个 ，客户端发出对ZooKeeper集群的读写请求

ZooKeeper集群中有类似于linux文件系统的一个简版的文件系统；目录结构也是树状结构（目录树

 

2、常用命令

# 1、查看ZooKeeper根目录/下的文件列表
ls /

# 2、创建节点，并指定数据
create /kkb    kkb

# 3、获得某节点的数据
get /kkb

# 4、修改节点的数据
set /kkb kkb01

# 5、删除节点
delete /kkb

3.2 Java API编程（重点 30分钟）

IDE可以是eclipse，或IDEA；此处以IDEA演示

编程分两类：原生API编程；curator编程

• Curator官网

• Curator编程

  • Curator对ZooKeeper的api做了封装，提供简单易用的api；

  • 它的风格是Curator链式编程

  • 参考《使用curator做zk编程》

• 代码详见工程代码

• package com.kaikeba.zookeeper.curator;
  
  import org.apache.curator.framework.CuratorFramework;
  import org.apache.curator.framework.CuratorFrameworkFactory;
  import org.apache.curator.framework.recipes.cache.ChildData;
  import org.apache.curator.framework.recipes.cache.TreeCache;
  import org.apache.curator.framework.recipes.cache.TreeCacheEvent;
  import org.apache.curator.framework.recipes.cache.TreeCacheListener;
  import org.apache.curator.retry.RetryNTimes;
  import org.apache.zookeeper.CreateMode;
  
  public class CuratorClientTest {
      //根据自己集群的实际情况，Zookeeper info 替换
      private static final String ZK_ADDRESS = "node01:2181,node02:2181,node03:2181";
      private static final String ZK_PATH = "/zk_test";
  
      static CuratorFramework client = null;
  
      // 方法：初始化，建立连接
      public static void init() {
  
          // 1、创建客户端
              // 1.1、重试连接策略，失败重试次数；每次休眠5000毫秒
             //RetryPolicy policy = new ExponentialBackoffRetry(3000, 3);
          RetryNTimes retryPolicy = new RetryNTimes(10, 5000);
  
             // 1.2、设置客户端参数，参数1：指定连接的服务器集端口列表；参数2：重试策略
          client = CuratorFrameworkFactory.newClient(ZK_ADDRESS, retryPolicy);
  
            // 1.3、启动客户端，连接到zk集群
          client.start();
          System.out.println("zk client start successfully!");
      }
  
      // 方法：关闭连接
      public static void clean() {
          System.out.println("close session");
          client.close();
      }
  
      // 方法：创建永久节点
      public static void createPersistentZNode() throws Exception {
          String zNodeData = "火辣的";
          ///a/b/c
          client.create().
                  creatingParentsIfNeeded().
                  withMode(CreateMode.PERSISTENT).
                  forPath("/beijing/goddess/tingting", zNodeData.getBytes());
  
      }
  
      //  方法：创建临时节点
      public static void createEphemeralZNode() throws Exception {
          String zNodeData2 = "hello3";
          client.create().
                  creatingParentsIfNeeded().
                  withMode(CreateMode.EPHEMERAL).
                  forPath("/hello3/zk", zNodeData2.getBytes());
  
          Thread.sleep(10000);
      }
  
      public static void queryZNodeData() throws Exception {
          // 查询列表
          print("ls", "/");
          print(client.getChildren().forPath("/"));
  
          //查询节点数据
          print("get", ZK_PATH);
          print(client.getData().forPath(ZK_PATH));
      }
  
      // 修改节点数据
      public static void modifyZNodeData() throws Exception {
  
          String data2 = "world";
          print("set", ZK_PATH, data2);
  
          client.setData().forPath(ZK_PATH, data2.getBytes());
          print("get", ZK_PATH);
          print(client.getData().forPath(ZK_PATH));
      }
  
      public static void deleteZNode() throws Exception {
          // 删除节点
          print("delete", ZK_PATH);
          client.delete().forPath(ZK_PATH);
  
          print("ls", "/");
          print(client.getChildren().forPath("/"));
      }
  
      //监听ZNode
      public static void watchZNode() throws Exception {
  
          //设置节点的cache  cache分为三种TreeCache、
          TreeCache treeCache = new TreeCache(client, "/zk_test");
  
          //设置监听器和处理过程 匿名xx类
          treeCache.getListenable().addListener(new TreeCacheListener() {
              @Override
              public void childEvent(CuratorFramework client, TreeCacheEvent event) throws Exception {
                  ChildData data = event.getData();
                  if(data !=null){
                      switch (event.getType()) {
                          case NODE_ADDED:
                              System.out.println("NODE_ADDED : "+ data.getPath() +"  数据:"+ new String(data.getData()));
                              break;
                          case NODE_REMOVED:
                              System.out.println("NODE_REMOVED : "+ data.getPath() +"  数据:"+ new String(data.getData()));
                              break;
                          case NODE_UPDATED:
                              System.out.println("NODE_UPDATED : "+ data.getPath() +"  数据:"+ new String(data.getData()));
                              break;
  
                          default:
                              break;
                      }
                  }else{
                      System.out.println( "data is null : "+ event.getType());
                  }
              }
          });
          //开始监听
          treeCache.start();
          Thread.sleep(60000);
          //关闭cache
          System.out.println("关闭cache");
          treeCache.close();
      }
  
      public static void main(String[] args) throws Exception {
  
          init();
         // createPersistentZNode();
  //      createEphemeralZNode();
     //  queryZNodeData();
  //        modifyZNodeData();
  //        deleteZNode();
         watchZNode();
          clean();
  
      }
  
      private static void print(String... cmds) {
          StringBuilder text = new StringBuilder("$ ");
          for (String cmd : cmds) {
              text.append(cmd).append(" ");
          }
          System.out.println(text.toString());
      }
  
      private static void print(Object result) {
          System.out.println(
                  result instanceof byte[]
                          ? new String((byte[]) result)
                          : result);
      }
  }
  

   

 

三、基本概念和操作（25分钟）

分布式通信有几种方式

1、直接通过网络连接的方式进行通信；

2、通过共享存储的方式，来进行通信或数据的传输

ZooKeeper使用第二种方式，提供分布式协调服务

3.1 ZooKeeper数据结构

ZooKeeper主要由以下三个部分实现

ZooKeeper  =   ①简版文件系统(Znode) ：基于类似于文件系统的目录节点树方式的数据存储

                         +②原语                            ：可简单理解成ZooKeeper的基本的命令

                         +③通知机制(Watcher)。

 

3.2 数据节点ZNode

3.2.1 什么是ZNode

• ZNode 分为四类：

	持久节点	临时节点
非有序节点	create	create -e
有序节点	create -s	create -s -e

 

3.2.2 持久节点

• 类比，文件夹

# 创建节点/zk_test，并设置数据my_data
create /zk_test my_data

# 持久节点，只有显示的调用命令，才能删除永久节点
delete /zk_test

3.2.3 临时节点

• 临时节点的生命周期跟客户端会话session绑定，一旦会话失效，临时节点被删除。

# client1上创建临时节点
create -e /tmp tmpdata
​
# client2上查看client1创建的临时节点
ls /
​
# client1断开连接
close
​
# client2上观察现象，发现临时节点被自动删除
ls /

3.2.4 有序节点

• ZNode也可以设置为有序节点

• 为什么设计有序节点？

  • 防止多个不同的客户端在同一目录下，创建同名ZNode，由于重名，导致创建失败

• 如何创建临时节点

  • 命令行使用-s选项：create -s /kkb kkb

  • Curator编程，可添加一个特殊的属性：CreateMode.EPHEMERAL

     

• 一旦节点被标记上这个属性，那么在这个节点被创建时，ZooKeeper 就会自动在其节点后面追加上一个整型数字

  # 创建持久、有序节点
  create -s /test01 test01-data
  # Created /test010000000009

  • 这个整数是一个由父节点维护的自增数字。

  • 提供了创建唯一名字的ZNode的方式

3.3 会话（Session)

 

3.4.1 什么是会话

• 客户端要对ZooKeeper集群进行读写操作，得先与某一ZooKeeper服务器建立TCP长连接；此TCP长连接称为建立一个会话Session。

• 每个会话有超时时间：SessionTimeout

  • 当客户端与集群建立会话后，如果超过SessionTimeout时间，两者间没有通信，会话超时

3.4.2 会话的特点

• 客户端打开一个Session中的请求以FIFO（先进先出）的顺序执行；

  • 如客户端client01与集群建立会话后，先发出一个create请求，再发出一个get请求；

  • 那么在执行时，会先执行create，再执行get

• 若打开两个Session，无法保证Session间，请求FIFO执行；只能保证一个session中请求的FIFO

3.4.3 会话的生命周期

 

• 会话的生命周期:

  • 未建立连接

  • 正在连接

  • 已连接

  • 关闭连接

3.4 请求

• 读写请求

  • 通过客户端向ZooKeeper集群中写数据

  • 通过客户端从ZooKeeper集群中读数据

 

3.5 事务zxid

• 事务

  • 客户端的写请求，会对ZooKeeper中的数据做出更改；如增删改的操作

  • 每次写请求，会生成一次事务

  • 每个事务有一个全局唯一的事务ID，用 ZXID 表示；全局自增

• 事务特点

  • ACID：

  • 原子性atomicity | 一致性consistency | 隔离性isolation | 持久性durability

• ZXID结构：

  • 通常是一个64位的数字。由32位epoch+32位counter组成

  • epoch、counter各32位

 

3.6 Watcher监视与通知

4.6.1 为什么要有Watcher

• 问：客户端如何获取ZooKeeper服务器上的最新数据？

  • 方式一 ： 轮询，ZooKeeper以远程服务的方式，被客户端访问；客户端以轮询的方式获得znode数据，效率会比较低（代价比较大）

   

  • 方式二： 基于通知的机制：

    • 客户端在znode上注册一个Watcher监视器

    • 当znode上数据出现变化，watcher监测到此变化，通知客户端

   

• 对比，那种好？

4.6.2 什么是Watcher?

• 客户端在服务器端，注册的事件监听器；

• watcher用于监听znode上的某些事件

  • 比如znode数据修改、节点增删等；

  • 当监听到事件后，watcher会触发通知客户端

4.6.3 如何设置Watcher

注意：Watcher是一个单次触发的操作

• 可以设置watcher的命令如下：

 

• 示例1

#ls path [watch]
#node01 上执行
ls /zk_test watch
​
#node02 上执行
create /zk_test/dir01 dir01-data
​
#观察node-01上变化
[zk: node-01:2181,node-02:2181,node-03:2181(CONNECTED) 87] 
WATCHER::
​
WatchedEvent state:SyncConnected type:NodeChildrenChanged path:/zk_test
#node01 上执行
ls /zk_test watch
​
#node02 上执行
create /zk_test/dir01 dir01-data
​
#观察node-01上变化
[zk: node-01:2181,node-02:2181,node-03:2181(CONNECTED) 87] 
WATCHER::
​
WatchedEvent state:SyncConnected type:NodeChildrenChanged path:/zk_test

图示：

• client1上执行步骤1

• client2上执行步骤2；

• client1上观察现象3

 

 

• 示例2

#监控节点数据的变化；
#node02上
get /zk_test watch
​
#node03上
set /zk_test "junk01"
#观察node2上cli的输出，检测到变化
#node02上
get /zk_test watch
​
#node03上
set /zk_test "junk01"
#观察node2上cli的输出，检测到变化

• 示例3：节点上下线监控

  • 原理：

    1. 节点1（client1）创建临时节点

    2. 节点2（client2）在临时节点，注册监听器watcher

    3. 当client1与zk集群断开连接，临时节点会被删除

    4. watcher发送消息，通知client2，临时节点被删除的事件

  • 用到的zk特性：

    Watcher+临时节点

  • 好处：

    通过这种方式，检测和被检测系统不需要直接关联（如client1与client2），而是通过ZK上的某个节点进行关联，大大减少了系统耦合。

  • 实现：

    client1操作

    # 创建临时节点
    create -e /zk_tmp tmp-data
    create -e /zk_tmp tmp-data

    client2操作

    # 在/zk_tmp注册监听器
    ls /zk_tmp watch
    ls /zk_tmp watch

    client1操作

    # 模拟节点下线
    close
    close

    观察client2

    WATCHER::
    ​
    WatchedEvent state:SyncConnected type:NodeDeleted path:/zk_tmp
    ​
    WatchedEvent state:SyncConnected type:NodeDeleted path:/zk_tmp

  • 图示：

    client1：

     

    client2：

 

4.7 总结

 

四、ZooKeeper工作原理（5分钟）

• ZooKeeper使用原子广播协议叫做Zab(ZooKeeper Automic Broadcast)协议

• Zab协议有两种模式

  • 恢复模式（选主）：因为ZooKeeper也是主从架构；当ZooKeeper集群没有主的角色leader时，从众多服务器中选举leader时，处于此模式

  • 广播模式（同步）：当集群有了leader后，客户端向ZooKeeper集群读写数据时，集群处于此模式

• 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，所有提议（proposal）都有zxid

 

五、访问控制ACL

5.8 ACL访问控制列表

5.1、ACL概述

1、 zk做为分布式架构中的重要中间件，通常会在上面以节点的方式存储一些关键信息，

        默认情况下，所有应用都可以读写任何节点，在复杂的应用中，这不太安全，

         ZK通过ACL机制来解决访问权限问题

  2、ACL(Access Control List)可以设置某些客户端，对zookeeper服务器上节点的权限，如增删改

  3、ZooKeeper 采用 ACL（Access Control Lists）策略来进行权限控制。ZooKeeper 定义了如下5种权限。

• （1）CREATE: 创建子节点的权限。

• （2）READ: 获取节点数据和子节点列表的权限。

• （3）WRITE：更新节点数据的权限。

• （4）DELETE: 删除子节点的权限。

• （5）ADMIN: 设置节点ACL的权限。

注意：CREATE 和 DELETE 都是针对子节点的权限控制。

5.3 如何设置ACL

 

• 1、五种权限简称

  • CREATE -> 增 -> c

  • READ -> 查 -> r

  • WRITE -> 改 -> w

  • DELETE -> 删 -> d

  • ADMIN -> 管理 -> a

  • 这5种权限简写为crwda

• 2、鉴权模式

  • world：默认方式，相当于全世界都能访问

  • auth：代表已经认证通过的用户(cli中可以通过addauth digest user:pwd 来添加当前上下文中的授权用户)

  • digest：即用户名:密码这种方式认证，这也是业务系统中最常用的

  • ip：使用Ip地址认证

 

• 3、演示auth方式

# 1）增加一个认证用户
# addauth digest 用户名:密码明文
addauth digest kkb:kkb
​
# 2）设置权限
# setAcl /path auth:用户名:密码明文:权限
setAcl /zk_test auth:kkb:kkb:rw
​
# 3）查看ACL设置
getAcl /zk_test