Zookeeper 基本概念

Zookeeper 基本概念

Zookeeper 的角色

1. 领导者（leader），负责进行投票的发起和决议，更新系统状态。
2. 学习者（learner），包括跟随者（follower）和观察者（observer）。
3. follower 用于接受客户端请求并想客户端返回结果，在选主过程中参与投票。
4. observer 可以接受客户端连接，将写请求转发给leader，但observer不参加投票过程，只同步leader的状态，observer的目的是为了扩展系统，提高读取速度。
5. 客户端（client），请求发起方。

Observer 角色

1. Zookeeper需保证高可用和强一致性；
2. 为了支持更多的客户端，需要增加更多Server；
3. Server增多，投票阶段延迟增大，影响性能；
4. 权衡伸缩性和高吞吐率，引入Observer
5. Observer不参与投票；
6. Observers接受客户端的连接，并将写请求转发给leader节点；
7. 加入更多Observer节点，提高伸缩性，同时不影响吞吐率

Zookeeper 设计目的

1. 最终一致性：client不论连接到哪个Server，展示给它都是同一个视图，这是zookeeper最重要的性能。
2. 可靠性：具有简单、健壮、良好的性能，如果消息m被到一台服务器接受，那么它将被所有的服务器接受。
3. 实时性：Zookeeper保证客户端将在一个时间间隔范围内获得服务器的更新信息，或者服务器失效的信息。但由于网络延时等原因，Zookeeper不能保证两个客户端能同时得到刚更新的数据，如果需要最新数据，应该在读数据之前调用sync()接口。
4. 等待无关（wait-free）：慢的或者失效的client不得干预快速的client的请求，使得每个client都能有效的等待。
5. 原子性：更新只能成功或者失败，没有中间状态。
6. 顺序性：包括全局有序和偏序两种：全局有序是指如果在一台服务器上消息a在消息b前发布，则在所有Server上消息a都将在消息b前被发布；偏序是指如果一个消息b在消息a后被同一个发送者发布，a必将排在b前面。

zxid 事务顺序ID

1. Znode节点的状态信息中包含czxid, 那么什么是zxid呢? zxid是全局单调唯一递增id，用来保证事务顺序一致性。
2. ZooKeeper状态的每一次改变, 都对应着一个递增的Transaction id, 该id称为zxid。由于zxid的递增性质, 如果zxid1小于zxid2, 那么zxid1肯定先于zxid2发生。
3. 创建任意节点, 或者更新任意节点的数据, 或者删除任意节点, 都会导致Zookeeper状态发生改变, 从而导致zxid的值增加。

Zookeeper 特性

• Zookeeper的核心是原子广播，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 的读写机制

• Zookeeper是一个由多个server组成的集群
• 一个leader，多个follower
• 每个server保存一份数据副本
• 全局数据一致
• 分布式读写
• 更新请求转发，由leader实施

Zookeeper 的保证

• 更新请求顺序进行，来自同一个client的更新请求按其发送顺序依次执行。
• 数据更新原子性，一次数据更新要么成功，要么失败。
• 全局唯一数据视图，client无论连接到哪个server，数据视图都是一致的。
• 实时性，在一定事件范围内，client能读到最新数据。

Zookeeper 节点数据操作流程

1. 在Client向Follwer发出一个写的请求
2. Follwer把请求发送给Leader
3. Leader接收到以后开始发起投票并通知Follwer进行投票
4. Follwer把投票结果发送给Leader
5. Leader将结果汇总后如果需要写入，则开始写入同时把写入操作通知给Leader，然后commit;
6. Follwer把请求结果返回给Client

Follower主要有四个功能（Leader的代理人）：

1. Follower 接收Client的请求，如果为写请求，发送给Leader进行投票；
2. Follower 向Leader发送请求（PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息）；
3. Follower 接收Leader消息并进行处理；
4. Follower 返回Client结果。

Follower的消息循环处理如下几种来自Leader的消息（Follower与Leader通信信件类型）：

1. PING消息： 心跳消息；
2. PROPOSAL消息：Leader发起的提案，要求Follower投票；
3. COMMIT消息：服务器端最新一次提案的信息；
4. UPTODATE消息：表明同步完成；
5. REVALIDATE消息：根据Leader的REVALIDATE结果，关闭待revalidate的session还是允许其接受消息；
6. SYNC消息：返回SYNC结果到客户端，这个消息最初由客户端发起，用来强制得到最新的更新。

Zookeeper 的数据模型

1. 层次化的目录结构，命名符合常规文件系统规范。
2. 每个节点在zookeeper中叫做znode,并且其有一个唯一的路径标识。
3. 节点Znode可以包含数据和子节点，但是EPHEMERAL类型的节点不能有子节点。
4. 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
5. 客户端应用可以在节点上设置监视器（Watcher）。
6. 节点不支持部分读写，而是一次性完整读写。

Zookeeper 的节点

Znode两种节点类型

1. Znode有两种类型，短暂的（ephemeral）和持久的（persistent），Znode的类型在创建时确定并且之后不能再修改。
2. 短暂znode的客户端会话结束时，zookeeper会将该短暂znode删除，短暂znode不可以有子节点。
3. 持久znode不依赖于客户端会话，只有当客户端明确要删除该持久znode时才会被删除。

Znode有四种形式的目录节点

1. PERSISTENT（持久的）
2. EPHEMERAL(暂时的)
3. PERSISTENT_SEQUENTIAL（持久化顺序编号目录节点）
4. EPHEMERAL_SEQUENTIAL（暂时化顺序编号目录节点）