Zookeeper笔记(二)Paxos算法与Zookeeper的工作原理

Zookeeper 分布式服务框架是 Apache Hadoop 的一个子项目,

它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。

paxos算法

Zookeeper 采用paxos一致性算法保证了数据的一致性,Paxos算法是一种基于消息传递且具有高度容错特性的一致性算法。

具体的算法不多作介绍,可以查看维基百科Paxos算法

想要更好的理解Paxos算法,可以关注知乎的这个问题

如何浅显易懂地解说 Paxos 的算法?

Zookeeper Atomic broadcast protocol zab协议

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。

Zookeeper的设计目的

 

在分布式应用中,由于工程师不能很好地使用锁机制,
以及基于消息的协调机制不适合在某些应用中使用,因此需要有一种可靠的、可扩展的、分布式的、可配置的协调机制来统一系统的状态。

Zookeeper致力于下面的几个目标:
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。
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。
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。
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。
原子性:更新只能成功或者失败,没有中间状态。
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。

 

Zookeeper工作原理

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

(1)角色

Zookeeper系统中的角色主要有三类,Leader,Learner和Observer:


(2)选主流程

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:

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。选主的具体流程图如下所示:


(3)同步流程

选完leader以后,zk就进入状态同步过程。
1.leader等待server连接;
2.Follower连接leader,将最大的zxid发送给leader;
3.Leader根据follower的zxid确定同步点;
4.完成同步后通知follower 已经成为uptodate状态;
5.Follower收到uptodate消息后,又可以重新接受client的请求进行服务了。

(4)Leader工作流程

Leader主要有三个功能:
1.恢复数据;
2.维持与Learner的心跳,接收Learner请求并判断Learner的请求消息类型;
3.Learner的消息类型主要有PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息,根据不同的消息类型,进行不同的处理。

(5)Follower工作流程

Follower主要有四个功能:
1.向Leader发送请求(PING消息、REQUEST消息、ACK消息、REVALIDATE消息);
2.接收Leader消息并进行处理;
3.接收Client的请求,如果为写请求,发送给Leader进行投票;
4.返回Client结果。

 

参考

Zookeeper与paxos算法

Zookeeper工作原理

 

posted @ 2015-03-07 09:46 邴越 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏