Zookeeper集群

一、Zookeeper 概述

Ⅰ、Zookeeper 定义：

• Zookeeper是一个开源的分布式的，为分布式框架提供协调服务的Apache项目。

Ⅱ、Zookeeper 工作机制

• Zookeeper从设计模式角度来理解：是一个基于观察者模式设计的分布式服务管理框架，它负责存储和管理大家都关心的数据，然后接受观察者的注册，一旦这些数据的状态发生变化，Zookeeper就将负责通知已经在Zookeeper上注册的那些观察者做出相应的反应。也就是说 Zookeeper = 文件系统 + 通知机制。
  

Ⅲ、Zookeeper 特点

• 1）Zookeeper：一个领导者（Leader），多个跟随者（Follower）组成的集群。
• 2）Zookeepe集群中只要有半数以上节点存活，Zookeeper集群就能正常服务。所以Zookeeper适合安装奇数台服务器。
• 3）全局数据一致：每个Server保存一份相同的数据副本，Client无论连接到哪个Server，数据都是一致的。
• 4）更新请求顺序执行，来自同一个Client的更新请求按其发送顺序依次执行，即先进先出。
• 5）数据更新原子性，一次数据更新要么成功，要么失败。
• 6）实时性，在一定时间范围内，Client能读到最新数据。

Ⅳ、Zookeeper 数据结构

ZooKeeper数据模型的结构与Linux文件系统很类似，整体上可以看作是一棵树，每个节点称做一个ZNode。每一个ZNode默认能够存储1MB的数据，每个ZNode都可以通过其路径唯一标识。

Ⅴ、Zookeeper 应用场景

提供的服务包括：统一命名服务、统一配置管理、统一集群管理、服务器节点动态上下线、软负载均衡等

统一命名服务：

在分布式环境下，经常需要对应用/服务进行统一命名，便于识别。例如：IP不容易记住，而域名容易记住。

统一配置管理：

1）分布式环境下，配置文件同步非常常见。一般要求一个集群中，所有节点的配置信息是一致的，比如Kafka集群。对配置文件修改后，希望能够快速同步到各个节点上。
2）配置管理可交由ZooKeeper实现。可将配置信息写入ZooKeeper上的一个Znode。各个客户端服务器监听这个Znode。一旦 Znode中的数据被修改，ZooKeeper将通知各个客户端服务器。

统一集群管理：

1）分布式环境中，实时掌握每个节点的状态是必要的。可根据节点实时状态做出一些调整。
2）ZooKeeper可以实现实时监控节点状态变化。可将节点信息写入ZooKeeper上的一个ZNode。监听这个ZNode可获取它的实时状态变化。

服务器动态上下线：

客户端能实时洞察到服务器上下线的变化

软负载均衡

在Zookeeper中记录每台服务器的访问数，让访问数最少的服务器去处理最新的客户端请求。

Ⅵ、Zookeeper 选举机制

第一次启动选举机制

• 服务器1启动，发起一次选举。服务器1投自己一票。此时服务器1票数一票，不够半数以上（3票），选举无法完成，服务器1状态保持为LOOKING；
• 服务器2启动，再发起一次选举。服务器1和2分别投自己一票并交换选票信息：此时服务器1发现服务器2的myid比自己目前投票推举的（服务器1）大，更改选票为推举服务器2。此时服务器1票数0票，服务器2票数2票，没有半数以上结果，选举无法完成，服务器1，2状态保持LOOKING
• 服务器3启动，发起一次选举。此时服务器1和2都会更改选票为服务器3。此次投票结果：服务器1为0票，服务器2为0票，服务器3为3票。此时服务器3的票数已经超过半数，服务器3当选Leader。服务器1，2更改状态为FOLLOWING，服务器3更改状态为LEADING；
• 服务器4启动，发起一次选举。此时服务器1，2，3已经不是LOOKING状态，不会更改选票信息。交换选票信息结果：服务器3为3票，服务器4为1票。此时服务器4服从多数，更改选票信息为服务器3，并更改状态为FOLLOWING；（5）服务器5启动，同4一样当小弟。

非第一次启动选举机制

• 当ZooKeeper 集群中的一台服务器出现以下两种情况之一时，就会开始进入Leader选举：

  • 服务器初始化启动。
  • 服务器运行期间无法和Leader保持连接。

• 而当一台机器进入Leader选举流程时，当前集群也可能会处于以下两种状态：

  • 集群中本来就已经存在一个Leader。
    对于已经存在Leader的情况，机器试图去选举Leader时，会被告知当前服务器的Leader信息，对于该机器来说，仅仅需要和 Leader机器建立连接，并进行状态同步即可。
  • 集群中确实不存在Leader。
    假设ZooKeeper由5台服务器组成，SID分别为1、2、3、4、5，ZXID分别为8、8、8、7、7，并且此时SID为3的服务器是Leader。某一时刻，3和5服务器出现故障，因此开始进行Leader选举。
    • EPOCH大的直接胜出
    • EPOCH相同，事务id大的胜出
    • 事务id相同，服务器id大的胜出

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SID：服务器ID。用来唯一标识一台ZooKeeper集群中的机器，每台机器不能重复，和myid一致。
ZXID：事务ID。ZXID是一个事务ID，用来标识一次服务器状态的变更。在某一时刻，集群中的每台机器的ZXID值不一定完全一致，这和ZooKeeper服务器对于客户端“更新请求”的处理逻辑速度有关。
Epoch：每个Leader任期的代号。没有Leader时同一轮投票过程中的逻辑时钟值是相同的。每投完一次票这个数据就会增加

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二、部署 Zookeeper 集群

准备 3 台服务器做 Zookeeper 集群
192.168.24.72
192.168.24.73
192.168.24.74

Ⅰ、安装前准备

//关闭防火墙
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0

在这里插入代码片//安装 JDK
yum install -y java-1.8.0-openjdk java-1.8.0-openjdk-devel
java -version

//下载安装包
官方下载地址：https://archive.apache.org/dist/zookeeper/

cd /opt
wget https://archive.apache.org/dist/zookeeper/zookeeper-3.5.7/apache-zookeeper-3.5.7-bin.tar.gz

Ⅱ、安装Zookeeper

在这里插入代码片cd /opt
tar -zxvf apache-zookeeper-3.5.7-bin.tar.gz
mv apache-zookeeper-3.5.7-bin /usr/local/

//修改配置文件
cd /usr/local/zookeeper-3.5.7/conf/
cp zoo_sample.cfg zoo.cfg

vim zoo.cfg
tickTime=2000   #通信心跳时间，Zookeeper服务器与客户端心跳时间，单位毫秒
initLimit=10    #Leader和Follower初始连接时能容忍的最多心跳数（tickTime的数量），这里表示为10*2s
syncLimit=5     #Leader和Follower之间同步通信的超时时间，这里表示如果超过5*2s，Leader认为Follwer死掉，并从服务器列表中删除Follwer
dataDir=/usr/local/zookeeper-3.5.7/data      ●修改，指定保存Zookeeper中的数据的目录，目录需要单独创建
dataLogDir=/usr/local/zookeeper-3.5.7/logs   ●添加，指定存放日志的目录，目录需要单独创建
clientPort=2181   #客户端连接端口
#添加集群信息
server.1=192.168.24.72:3188:3288
server.2=192.168.24.73:3188:3288
server.3=192.168.24.74:3188:3288

//拷贝配置好的 Zookeeper 配置文件到其他机器上
scp /usr/local/zookeeper-3.5.7/conf/zoo.cfg 192.168.80.11:/usr/local/zookeeper-3.5.7/conf/
scp /usr/local/zookeeper-3.5.7/conf/zoo.cfg 192.168.80.12:/usr/local/zookeeper-3.5.7/conf/

//在每个节点上创建数据目录和日志目录
mkdir /usr/local/zookeeper-3.5.7/data
mkdir /usr/local/zookeeper-3.5.7/logs

//在每个节点的dataDir指定的目录下创建一个 myid 的文件
echo 1 > /usr/local/zookeeper-3.5.7/data/myid
echo 2 > /usr/local/zookeeper-3.5.7/data/myid
echo 3 > /usr/local/zookeeper-3.5.7/data/myid

三、部署kafka 集群

Ⅰ、下载安装包

官方下载地址：http://kafka.apache.org/downloads.html

Ⅱ、安装 Kafka

cd /opt/
tar zxvf kafka_2.13-2.7.1.tgz
mv kafka_2.13-2.7.1 /usr/local/kafka

1、修改配置文件

cd /usr/local/kafka/config/

cp server.properties{,.bak}
#给配置文件进行备份


vim server.properties

broker.id=0    ●21行，broker的全局唯一编号，每个broker不能重复，因此要在其他机器上配置 broker.id=1、broker.id=2
listeners=PLAINTEXT://192.168.80.10:9092    ●31行，指定监听的IP和端口，如果修改每个broker的IP需区分开来，也可保持默认配置不用修改
num.network.threads=3    #42行，broker 处理网络请求的线程数量，一般情况下不需要去修改
num.io.threads=8         #45行，用来处理磁盘IO的线程数量，数值应该大于硬盘数
socket.send.buffer.bytes=102400       #48行，发送套接字的缓冲区大小
socket.receive.buffer.bytes=102400    #51行，接收套接字的缓冲区大小
socket.request.max.bytes=104857600    #54行，请求套接字的缓冲区大小
log.dirs=/usr/local/kafka/logs        #60行，kafka运行日志存放的路径，也是数据存放的路径
num.partitions=1    #65行，topic在当前broker上的默认分区个数，会被topic创建时的指定参数覆盖
num.recovery.threads.per.data.dir=1    #69行，用来恢复和清理data下数据的线程数量
log.retention.hours=168    #103行，segment文件（数据文件）保留的最长时间，单位为小时，默认为7天，超时将被删除
log.segment.bytes=1073741824    #110行，一个segment文件最大的大小，默认为 1G，超出将新建一个新的segment文件
zookeeper.connect=192.168.24.75:2181,192.168.24.76:2181,192.168.24.77:2181    ●123行，配置连接Zookeeper集群地址

使用scp命令将配置文件传输到对应服务器上

 scp -r kafka/ 192.168.24.76:`pwd`
  scp -r kafka/ 192.168.24.77:`pwd`

将里面的id换成不同的和IP地址换成对应的ip地址

zookeeper.connect=192.168.24.75:2181,192.168.24.75:2181,192.168.24.75:2181,  #配置连接zookeeper的集群地址

2、修改环境变量

vim /etc/profile
export KAFKA_HOME=/usr/local/kafka
export PATH=$PATH:$KAFKA_HOME/bin

source /etc/profile

3、配置 Zookeeper 启动脚本

vim /etc/init.d/kafka

#!/bin/bash
#chkconfig:2345 22 88
#description:Kafka Service Control Script
KAFKA_HOME='/usr/local/kafka'
case $1 in
start)
	echo "---------- Kafka 启动 ------------"
	${KAFKA_HOME}/bin/kafka-server-start.sh -daemon ${KAFKA_HOME}/config/server.properties
;;
stop)
	echo "---------- Kafka 停止 ------------"
	${KAFKA_HOME}/bin/kafka-server-stop.sh
;;
restart)
	$0 stop
	$0 start
;;
status)
	echo "---------- Kafka 状态 ------------"
	count=$(ps -ef | grep kafka | egrep -cv "grep|$$")
	if [ "$count" -eq 0 ];then
        echo "kafka is not running"
    else
        echo "kafka is running"
    fi
;;
*)
    echo "Usage: $0 {start|stop|restart|status}"
esac

4、启动 Kafka

chmod +x /etc/init.d/kafka

service kafka start

netstat -lntp | grep 9092

在192.168.24.75上启动服务

 ./kafka-server-start.sh -daemon /usr/local/kafka/config/server.properties

5、Kafka 命令行操作

1、创建topic

kafka-topics.sh --create --zookeeper 192.168.24.75:2181,192.168.24.76:2181,192.168.24.77:2181 --replication-factor 2 --partitions 3 --topic test

--zookeeper：定义 zookeeper 集群服务器地址，如果有多个 IP 地址使用逗号分割，一般使用一个 IP 即可
--replication-factor：定义分区副本数，1 代表单副本，建议为 2 
--partitions：定义分区数 
--topic：定义 topic 名称

2、查看当前服务器中的所有 topic和topic的详情

kafka-topics.sh --list --zookeeper 192.168.24.75:2181,192.168.24.76:2181,192.168.24.77:2181

3、发布消息

kafka-console-producer.sh --broker-list 192.168.24.75:2181,192.168.24.76:2181,192.168.24.77:2181  --topic test

4、消费消息

kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server 192.168.24.75:2181,192.168.24.76:2181,192.168.24.77:2181  --topic test --from-beginning

5、按顺序写入数据
可以边写入数据边消费

6、修改分区数

kafka-topics.sh --zookeeper 192.168.24.75:2181,192.168.24.76:2181,192.168.24.77:2181 --alter --topic test --partitions 6

7、删除 topic

kafka-topics.sh --delete --zookeeper 192.168.24.75:2181,192.168.24.76:2181,192.168.24.77:2181 --topic test

四、Kafka 架构深入

Ⅰ、Kafka 工作流程及文件存储机制

Kafka 中消息是以 topic 进行分类的，生产者生产消息，消费者消费消息，都是面向 topic 的。

• topic 是逻辑上的概念，而 partition 是物理上的概念，每个 partition 对应于一个 log 文件，该 log 文件中存储的就是 producer 生产的数据。Producer 生产的数据会被不断追加到该 log 文件末端，且每条数据都有自己的 offset。 消费者组中的每个消费者，都会实时记录自己消费到了哪个 offset，以便出错恢复时，从上次的位置继续消费。

• 由于生产者生产的消息会不断追加到 log 文件末尾，为防止 log 文件过大导致数据定位效率低下，Kafka 采取了分片和索引机制，将每个 partition 分为多个 segment。每个 segment 对应两个文件：“.index” 文件和 “.log” 文件。这些文件位于一个文件夹下，该文件夹的命名规则为：topic名称+分区序号。例如，test 这个 topic 有三个分区， 则其对应的文件夹为 test-0、test-1、test-2。

index 和 log 文件以当前 segment 的第一条消息的 offset 命名。

“.index” 文件存储大量的索引信息，
“.log” 文件存储大量的数据，索引文件中的元数据指向对应数据文件中 message 的物理偏移地址。

Ⅱ、数据可靠性保证

• 为保证 producer 发送的数据，能可靠的发送到指定的 topic，topic 的每个 partition 收到 producer 发送的数据后， 都需要向 producer 发送 ack（acknowledgement 确认收到），如果 producer 收到 ack，就会进行下一轮的发送，否则重新发送数据。

Ⅲ、数据一致性问题

LEO：指的是每个副本最大的 offset； 

HW：指的是消费者能见到的最大的 offset，所有副本中最小的 LEO。

1）follower 故障

• follower 发生故障后会被临时踢出 ISR（Leader 维护的一个和 Leader 保持同步的 Follower 集合），待该 follower 恢复后，follower 会读取本地磁盘记录的上次的 HW，并将 log 文件高于 HW 的部分截取掉，从 HW 开始向 leader 进行同步。等该 follower 的 LEO 大于等于该 Partition 的 HW，即 follower 追上 leader 之后，就可以重新加入 ISR 了。

2）leader 故障

• leader 发生故障之后，会从 ISR 中选出一个新的 leader， 之后，为保证多个副本之间的数据一致性，其余的 follower 会先将各自的 log 文件高于 HW 的部分截掉，然后从新的 leader 同步数据。

Ⅳ、ack 应答机制

对于某些不太重要的数据，对数据的可靠性要求不是很高，能够容忍数据的少量丢失，所以没必要等 ISR 中的 follower 全部接收成功。所以 Kafka 为用户提供了三种可靠性级别，用户根据对可靠性和延迟的要求进行权衡选择。

当 producer 向 leader 发送数据时，可以通过 request.required.acks 参数来设置数据可靠性的级别：

• 0：这意味着producer无需等待来自broker的确认而继续发送下一批消息。这种情况下数据传输效率最高，但是数据可靠性确是最低的。当broker故障时有可能丢失数据。
• 1（默认配置）：这意味着producer在ISR中的leader已成功收到的数据并得到确认后发送下一条message。如果在follower同步成功之前leader故障，那么将会丢失数据。
• -1（或者是all）：producer需要等待ISR中的所有follower都确认接收到数据后才算一次发送完成，可靠性最高。但是如果在 follower 同步完成后，broker 发送ack 之前，leader 发生故障，那么会造成数据重复。

三种机制性能依次递减，数据可靠性依次递增。

注：在 0.11 版本以前的Kafka，对此是无能为力的，只能保证数据不丢失，再在下游消费者对数据做全局去重。在 0.11 及以后版本的 Kafka，引入了一项重大特性：幂等性。所谓的幂等性就是指 Producer 不论向 Server 发送多少次重复数据， Server 端都只会持久化一条。

五、Filebeat+Kafka+ELK

Ⅰ、部署 Filebeat

1、修改配置文件

cd /usr/local/filebeat

- type: log
  enabled: true
  paths:
    - /var/log/httpd/access
  tags: ["httpd_acces"]

- type: log
  enabled: true
  paths:
    - /var/log/httpd/error_log
  tags: ["httpd_error"]

2、添加输出到 Kafka 的配置

output.kafka:
  enable: true
  hosts: ["192.168.24.75:9092,192.168.24.76:9092,192.168.24.77:9092"]
  topic: "httpd"

3、启动 filebeat

cd /opt/filebeat-6.7.2-linux-x86_64

./filebeat -e -c filebeat.yml

4、部署 ELK，在 Logstash 组件所在节点上新建一个 Logstash 配置文件

cd /etc/logstash/conf.d/

vim kafka.conf

input {
    kafka {
        bootstrap_servers => "192.168.24.75:9092,192.168.24.76:9092,192.168.24.77:9092" #kafka集群地址
        topics  => "httpd" #拉取的kafka的指定topic
        type => "httpd_kafka" #指定 type 字段
        codec => "json" #解析json格式的日志数据
        auto_offset_reset => "latest"#拉取最近数据，earliest为从头开始拉取
        decorate_events => false #传递给elasticsearch的数据额外增加kafka的属性数据
    }
}

output {
  if "httpd_access" in [tags] {
    elasticsearch {
      hosts => ["192.168.24.72:9200","192.168.24.74:9200"]
      index => "httpd_access-%{+YYYY.MM.dd}"
    }
  }
  
  if "httpd_error" in [tags] {
    elasticsearch {
      hosts => ["192.168.24.72:9200","192.168.24.74:9200"]
      index => "httpd_error-%{+YYYY.MM.dd}"
    }
  }
  
  stdout { codec => rubydebug }
}

5、启动 logstash

logstash -f /etc/logstash/conf.d/filebeat.conf

6、使用浏览器进行访问登录Kibana

浏览器访问 http://192.168.24.73:5601