ZooKeeper原理剖析

1.ZooKeeper简介

ZooKeeper是一个分布式、高可用性的协调服务。在大数据产品中主要提供两个功能：

  • 帮助系统避免单点故障，建立可靠的应用程序。
  • 提供分布式协作服务和维护配置信息。

2.ZooKeeper结构

ZooKeeper集群中的节点分为三种角色：Leader、Follower和Observer，其结构和相互关系如下图所示。通常来说，需要在集群中配置奇数个（2N+1）ZooKeeper服务，至少（N+1）个投票才能成功的执行写操作。

ZooKeeper结构
在这里插入图片描述
上图中各部分的功能说明如下表所示。

名称 描述
Leader 在ZooKeeper集群中只有一个节点作为集群的领导者，由各Follower通过ZooKeeper Atomic Broadcast(ZAB)协议选举产生，主要负责接收和协调所有写请求，并把写入的信息同步到Follower和Observer。
Follower Follower的功能有两个：1.每个Follower都作为Leader的储备，当Leader故障时重新选举Leader，避免单点故障。2.处理读请求，并配合Leader一起进行写请求处理。
Observer Observer不参与选举和写请求的投票，只负责处理读请求、并向Leader转发写请求，避免系统处理能力浪费。
Client ZooKeeper集群的客户端，对ZooKeeper集群进行读写操作。例如HBase可以作为ZooKeeper集群的客户端，利用ZooKeeper集群的仲裁功能，控制其HMaster的“Active”和“Standby”状态。

如果集群启用了安全服务，在连接ZooKeeper时需要进行身份认证，认证方式有以下两种：

  • keytab方式：需要从MRS集群管理员处获取一个“人机”用户，用于登录MRS平台并通过认证，并且获取到该用户的keytab文件。
  • 票据方式：从MRS集群管理员处获取一个“人机”用户，用于后续的安全登录，开启Kerberos服务的renewable和forwardable开关并且设置票据刷新周期，开启成功后重启kerberos及相关组件。

注意：

  • 默认情况下，用户的密码有效期是90天，所以获取的keytab文件的有效期是90天。
  • Kerberos服务的renewable、forwardable开关和票据刷新周期的设置在Kerberos服务的配置页面的“系统”标签下，票据刷新周期的修改可以根据实际情况修改“kdc_renew_lifetime”和“kdc_max_renewable_life”的值。

3. ZooKeeper原理

写请求

  1. Follower或Observer接收到写请求后，转发给Leader。
  2. Leader协调各Follower，通过投票机制决定是否接受该写请求。
  3. 如果超过半数以上的Leader、Follower节点返回写入成功，那么Leader提交该请求并返回成功，否则返回失败。
  4. Follower或Observer返回写请求处理结果。

只读请求

客户端直接向Leader、Follower或Observer读取数据。

4. ZooKeeper和HDFS的关系

ZooKeeper与HDFS的关系如下图所示。

在这里插入图片描述
ZKFC（ZKFailoverController）作为一个ZooKeeper集群的客户端，用来监控NameNode的状态信息。ZKFC进程仅在部署了NameNode的节点中存在。HDFS NameNode的Active和Standby节点均部署有zkfc进程。

  1. HDFS NameNode的ZKFC连接到ZooKeeper，把主机名等信息保存到ZooKeeper中，即“/hadoop-ha”下的znode目录里。先创建znode目录的NameNode节点为主节点，另一个为备节点。HDFS NameNode Standby通过ZooKeeper定时读取NameNode信息。
  2. 当主节点进程异常结束时，HDFS NameNode Standby通过ZooKeeper感知“/hadoop-ha”目录下发生了变化，NameNode会进行主备切换。

5. ZooKeeper和YARN的关系

ZooKeeper与YARN的关系如下图所示。
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  1. 在系统启动时，ResourceManager会尝试把选举信息写入ZooKeeper，第一个成功写入ZooKeeper的ResourceManager被选举为Active ResourceManager，另一个为Standby ResourceManager。Standby ResourceManager定时去ZooKeeper监控Active ResourceManager选举信息。
  2. Active ResourceManager还会在ZooKeeper中创建Statestore目录，存储Application相关信息。当Active ResourceManager产生故障时，Standby ResourceManager会从Statestore目录获取Application相关信息，恢复数据。

6. ZooKeeper和HBase的关系

ZooKeeper与HBase的关系如下图所示。
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  1. HRegionServer以Ephemeral node的方式注册到ZooKeeper中。其中ZooKeeper存储HBase的如下信息：HBase元数据、HMaster地址。
  2. HMaster通过ZooKeeper随时感知各个HRegionServer的健康状况，以便进行控制管理。
  3. .HBase也可以部署多个HMaster，类似HDFS NameNode，当HMaster主节点出现故障时，HMaster备用节点会通过ZooKeeper获取主HMaster存储的整个HBase集群状态信息。即通过ZooKeeper实现避免HBase单点故障问题的问题。

7. Zookeeper和SmallFS的配合关系

FGCService的部署模式为HA模式。HA（High Availability）模式目的是防止单节点故障导致服务不可用。为了支持HA模式，FGCService依赖于ZooKeeper。
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8. ZooKeeper和Kafka的配合关系

ZooKeeper与Kafka的关系如下图 ZooKeeper和Kafka的关系所示。
在这里插入图片描述

  1. Broker端使用ZooKeeper用来注册broker信息，并进行partition leader选举
  2. Consumer端使用ZooKeeper用来注册consumer信息，其中包括consumer·消费的partition列表等，同时也用来发现broker列表，并和partition leader建立socket连接，并获取消息。