MIT6.824-ZooKeeper

Tue, 03 Jan 2023 23:49:41 +0800

本文主要讲了ZooKeeper系统在设计和实践上的考量，如wait-free和lock，一致性的选择，系统提供的API以及特定语义上的抉择，这样的trade-off是本文的最大启发。

定位

wait-free,high-performance 的协调分布式应用的系统。通过提供协调原语（特定语义的API与数据模型）支持分布式应用的协调需求。

设计

关键词

ZK定位中的关键词有两个：高性能，分布式应用协调服务。

ZK的高性能通过WaitFree设计、多副本本地读、Watch机制实现。

WaitFree应该是将请求异步处理来实现的，这样异步处理可能会导致请求重排序，导致状态机和现实的时序不同，所以ZK提供了FIFO Client Order 顺序保证。同时，这样的异步处理有益于数据的batch pipeline处理，进一步提升性能。
Watch机制，当znode变化是通知Client更新，避免Client操作本地缓存的开销。
多副本本地读，ZK使用ZAB协议实现数据共识，保证写操作满足linearizability。读请求副本本地读，不走ZAB共识协议，但读请求只满足Serializaility，可能会读到之前的结果，但提升了性能。

分布式应用协调服务指的是，ZK提供的数据模型以及API语义，分布式应用可以自由使用来满足诸如Group Membership，Distributed Lock等协调需求。

数据模型与API

ZK为使用者提供znode数据节点的抽象，数据节点通过分层的命名空间组织。ZK提供了Regular + Ephemeral两种znode的节点的创建，每个节点都存储数据，并通过标准的UNIX文件系统路径访问。

实际上，znodes 不是为通用数据存储设计的。相反，znodes 映射到客户端应用程序的抽象，通常与用于协调的元数据相对应。

也就是说，使用ZK进行协调时，利用好znode关联的元数据，而不是只将znode当做数据存储。比如，znode 将元数据与时间戳(timestamp)和版本计数器( version counter )关联，客户端可以跟踪对 znode 的更改并根据 znode 的版本执行条件更新。

这套数据模型本质上是一个简化API的文件系统，只支持完整数据的读写。使用者将在ZK提供的语义下实现分布式应用的协调。

Regular 和 Ephemeral 的区别在于Ephemeral可以在Session结束时自动删除。

Client通过API与ZK交互，ZK通过Session管理Clinet连接，在Session中Clinet可以观测到反应其操作的状态变化。

CAP

ZK保证CP，比如在选举leader时，会停止服务，直到选举成功之后才会再次对外提供服务。

实现

ZK使用多副本实现高可用。

简单来说，ZK上层使用ZAB协议处理写请求，保证多副本更新的线性一致性，本地处理读请求，读请求保证顺序一致性。下层数据状态机保存到ZK集群机器上的Replicated Database（内存）+ WAL上，并定期snapshot。整个内存数据库通过 Fuzzy Snapshot + WAL Replay的方式保证单机Crash Safe以及重启恢复的速度。

Fuzzy Snapshot 的优势在于不阻塞在线请求。

与Client的交互

更新操作会通知并清除相关znode的Watch。
读请求本地进行，通过zxid定义与写请求的偏序关系，只保证顺序一致性，可能会Read Stale。ZK提供了sync操作，通过 sync + read 一定程度上解决了这个问题。
当Client连接新ZK Server时，会对比两者的最大zxid，落后的ZK Server将不会为Client建立Session。
Client通过心跳维持Session，Server对请求进行幂等处理。

参考

ZooKeeper Paper

MIT6.824-ZooKeeper FAQ

ZooKeeper on NoneBack

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定位

设计

关键词

数据模型与API

CAP

实现

与Client的交互

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