技术

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分布式配置系统

2015年08月08日

简介

Zookeeper is a distributed storage that provides the following guarantees

  1. Sequential Consistency - Updates from a client will be applied in the order that they were sent.
  2. Atomicity - Updates either succeed or fail. No partial results.
  3. Single System Image - A client will see the same view of the service regardless of the server that it connects to.
  4. Reliability - Once an update has been applied, it will persist from that time forward until a client overwrites the update.
  5. Timeliness - The clients view of the system is guaranteed to be up-to-date within a certain time bound.

You can use these to implement different recipes that are required for cluster management like locks, leader election etc.

从这段描述中,我们就可以知道,什么是本质(distributed storage + guarantees),什么是recipes。

2017.11.23 更新

我们都以为用zookeeper做一致性工具天经地义,来自京东、唯品会对微服务编排、API网关、持续集成的实践分享(上)却用db做一致性,一切看场景。就注册中心的功能来说,Netflix/eureka也比zookeeper更好些。换个方式考虑,注册中心本质为了服务调用方和提供方的解耦,存储服务注册信息。也就是能存数据的都可以用来做注册中心,但从可用性上考虑,zookeeper因为副本因素可靠性高些。一致性 <== 副本 <== 高可用性存储,这或许才是zookeeper等一致性工具的本质,其它的才是kv存储、通知机制等枝节。

现有产品

分布式配置系统一般有zookeeper,etcd,Consul等

分布式配置中心一般有以下特点:

  1. 集中管理外部依赖的服务配置和服务内部配置
  2. 提供web管理平台进行配置和查询
  3. 支持服务注册与发现
  4. 支持客户端拉取配置
  5. 支持订阅与发布,配置变更主动通知到client,实时变更配置

    这条跟消息队列很像,不过两者的目的完全不同。

  6. 分布式配置中心本身具有非常高的可靠性

    因此一般以集群状态运行,集群节点的增加和减少不影响服务的提供。

我个人觉得比较直观的一条便是:

  • 使用之前,分布式系统各主机间交互,需要跨网络访问
  • 使用之后,分布式系统的daemon服务只需与配置中心daemon交互即可。省事,尤其是一个消息要通知好几个主机时。

    • 两台电脑互通,需要一根网线
    • 三台电脑互通,需要三根网线
    • 四台电脑互通,需要六根网线
    • 四台电脑互通,如果使用集线器,则需要四根网线即可

其作用类似于集线器,不同主机的各个进程连上它,就不用彼此之间费事通信了,当然,通信的数据一般是对连接上配置中心的所有进程都有用的。如果是交互的数据量太大,或数据只与某两个进程相关,还是各主机自己动手或使用消息队列。

通过安装过程来体会工具的异同

etcd

以ubuntu15.04 为例,用Systemd管理etcd,针对每个主机

  1. 下载文件 https://github.com/coreos/etcd/releases
  2. 拷贝可执行文件etcd,etcdctl到path目录
  3. 准备/etc/systemd/system/etcd.service文件

     [Unit]
     Description=etcd shared configuration and service discovery daemon
        
     [Service]
     Type=notify
     EnvironmentFile=/etc/default/etcd
     ExecStart=/usr/local/bin/etcd $ETCD_OPTS
     Restart=on-failure
     RestartSec=5
        
     [Install]
     WantedBy=multi-user.target
    
  4. 准备配置文件/etc/default/etcd

     ETCD_OPTS=-addr=server_ip:4001 -peer-addr=server_ip:7001 -data-dir=/var/lib/etcd/
    
  5. systemctl enable etcd使配置文件生效,systemctl start etcd启动etcd,systemctl status etcd查看etcd运行状态。

几个端口的作用

  • 4001,客户端(比如使用etcd的应用程序)通过它访问etcd数据
  • 7001,Etcd节点通过7001端口在集群各节点间同步Raft状态和数据

etcd启动时,有三种模式static,etcd DiscoveryDNS Discovery三种模式来确定哪些节点是“自己人”,参见https://coreos.com/etcd/docs/latest/clustering.html

存储结构,键值对,键以文件夹的形式组织,例如

root@docker1:~# etcdctl ls /network/docker/nodes
/network/docker/nodes/192.168.56.101:2375
/network/docker/nodes/192.168.56.102:2375

zookeeper

针对每个主机

  1. 将文件解压到特定位置,tar -xzvf zookeeper-x.x.x.tar.gz -C xxx
  2. 根据样本文件创建配置文件,cp zookeeper-x.x.x/zoo_sample.cfg zookeeper-x.x.x/zoo.cfg
  3. 更改配置文件

     dataDir=/var/lib/zookeeper
     clientPort=2181
     server.1=server_ip1:2888:3888
     server.2=server_ip2:2888:3888
     server.3=server_ip3:2888:3888
    
  4. 编辑myid文件,${dataDir}/myid,不同的节点写个不同的数字即可
  5. 启动zookeeper,zookeeper-x.x.x/bin/zkServer.sh start

几个端口的作用:

  • 端口2181由 ZooKeeper客户端(比如访问zookeeper数据的应用程序)使用,用于连接到 ZooKeeper 服务器;
  • 端口2888由对等 ZooKeeper 服务器使用,用于互相通信;
  • 而端口3888用于领导者选举。

集群配置时,集群有哪些节点,已在所有节点的配置文件中讲明,比如这里的server.1,server.2,server.3

consul

因为consul 是新近流行的,所以专门介绍一下

官网 github

Consul 和其它配置中心通用的一些特性

  1. Service Discovery,比较有特色的是支持dns 或http interface
  2. Key/Value Storage - A flexible key/value store enables storing dynamic configuration, feature flagging, coordination, leader election and more. The simple HTTP API makes it easy to use anywhere.

Consul 独有支持的一些特性

  1. Health Checking - Health Checking enables Consul to quickly alert operators about any issues in a cluster. The integration with service discovery prevents routing traffic to unhealthy hosts and enables service level circuit breakers. 没有HealthCheck时,zk 一般通过心跳做简单判断
  2. Multi-Datacenter - Consul is built to be datacenter aware, and can support any number of regions without complex configuration.

Consul 集群部署

consul 两个角色:server,client(都叫consul agent)。 先说server 的安装,假设存在192.168.60.100,192.168.60.101,192.168.60.102 三个节点

nohup consul agent -server -bootstrap -syslog \ ## -bootstrap 只需一个节点即可
    -ui-dir=/opt/consul/web \
    -data-dir=/opt/consul/data \
    -config-dir=/opt/consul/conf \
    -pid-file=/opt/consul/run/consul.pid \
    -client='127.0.0.1 192.168.60.100' \
    -bind=192.168.60.100 \
    -node=192.168.60.100 2>&1 &

每个server 节点相机改下 ip地址即可。

当一个Consul agent启动后,它并不知道其它节点的存在,它是一个孤立的单节点集群。它必须加入到一个现存的集群来感知到其它节点的存在。

consul join --http-addr 192.168.60.100:8500 192.168.60.101
consul join --http-addr 192.168.60.100:8500 192.168.60.102

然后执行 consul member 即可列出当前的集群状态。

Consul默认是在前台运行的,所以使用systemd 来启动和consul 是最佳方案。

/etc/systemd/system/consul.service

[Unit]
Description=Consul service discovery agent
Requires=network-online.target
After=network-online.target

[Service]
#User=consul
#Group=consul
EnvironmentFile=-/etc/default/consul
Environment=GOMAXPROCS=2
Restart=on-failure
#ExecStartPre=[ -f "/opt/consul/run/consul.pid" ] && /usr/bin/rm -f /opt/consul/run/consul.pid
ExecStartPre=-/usr/local/bin/consul configtest -config-dir=/opt/consul/conf
ExecStart=/usr/local/bin/consul agent $CONSUL_OPTS
ExecReload=/bin/kill -HUP $MAINPID
KillSignal=SIGTERM
TimeoutStopSec=5

[Install]
WantedBy=multi-user.target

/etc/default/consul

CONSUL_OPTS=”-server -syslog -data-dir=/opt/consul/data -config-dir=/opt/consul/conf -pid-file=/opt/consul/run/consul.pid -client=0.0.0.0 -bind=192.168.60.100 -join=192.168.60.100 -node=192.168.60.100”

为什么要有一个 consul client?

  1. 因为除了consul server外,consul 推荐数据中心所有的节点上部署 consul client ,这样所有的服务只需与本地的consul client 交互即可,业务本身无需感知 consul server 的存在。PS: 有点service mesh的意思
  2. consul 的一个重要特性是健康检查,就像Kubernetes 一样 可以为容器注册一个readinessProbe,如果让有限数量的consul server 去执行数据中心成百上千服务的healthcheck,负担就太大了。

consul 启动时,默认有一个-dc 参数,默认是dc1。

nacos

nacos下载地址 下载可执行文件解压

nacos-server-$version
    bin
        shutdown.cmd
        shutdown.sh
        startup.cmd
        startup.sh
    conf
        application.properties
        application.properties.example
        cluster.conf.example
    target
        nacos-server.jar

单机模式启动sh startup.sh -m standalone

集群模式下,应先设置配置文件 cluster.conf

# ip:port
200.8.9.16:8848
200.8.9.17:8848
200.8.9.18:8848

数据模型

zookeeper

ZooKeeper的数据结构, 与普通的文件系统类似,每个节点称为一个znode. 每个znode由3部分组成:

  1. stat. 此为状态信息, 描述该znode的版本, 权限等信息.
  2. data. 与该znode关联的数据.
  3. children. 该znode下的子节点.

consul

Consul做服务发现是专业的,配置管理更像是捎带的

  1. node 管理,所有的分布式系统都需要 node 管理
  2. 有专门的服务管理:Service 有专门的数据对象、页面UI入口,专门的注册与查询接口

     {
         "services": [
             {
                 "id": "hello1",
                 "name": "hello",
                 "tags": [
                     "primary"
                 ],
                 "address": "172.17.0.5",
                 "port": 5000,
                 "checks": [
                     {
                     "http": "http://localhost:5000/",
                     "tls_skip_verify": false,
                     "method": "Get",
                     "interval": "10s",
                     "timeout": "1s"
                     }
                 ]
             }
         ]
     }
    
  3. 健康检查是其中一项必不可少的功能
  4. Consul提供了一个易用的键/值存储,可以用来保持动态配置,协助服务协调,领袖选举等。

nacos

Nacos 概念相关概念

  1. 健康检查,以指定方式检查服务下挂载的实例 (Instance) 的健康度,从而确认该实例 (Instance) 是否能提供服务。
  2. 健康保护阈值,为了防止因过多实例 (Instance) 不健康导致流量全部流向健康实例 (Instance) ,继而造成流量压力把健康 健康实例 (Instance) 压垮并形成雪崩效应,应将健康保护阈值定义为一个 0 到 1 之间的浮点数。当域名健康实例 (Instance) 占总服务实例 (Instance) 的比例小于该值时,无论实例 (Instance) 是否健康,都会将这个实例 (Instance) 返回给客户端。这样做虽然损失了一部分流量,但是保证了集群的剩余健康实例 (Instance) 能正常工作。

Nacos 架构

nacos 对外提供http api,下文进一步通过java client sdk 演示 与nacos server的互动

//服务发现注册接口
public interface NamingService {
    void registerInstance(String serviceName, String groupName, String ip, int port, String clusterName) throws NacosException;
    void deregisterInstance(String serviceName, String ip, int port) throws NacosException;
    List<Instance> getAllInstances(String serviceName, String groupName) throws NacosException;
    List<Instance> selectInstances(String serviceName, String groupName, List<String> clusters, boolean healthy, boolean subscribe) throws NacosException;
    Instance selectOneHealthyInstance(String serviceName, String groupName, List<String> clusters, boolean subscribe) throws NacosException;
    void subscribe(String serviceName, String groupName, List<String> clusters, EventListener listener) throws NacosException;
    void unsubscribe(String serviceName, String groupName, List<String> clusters, EventListener listener) throws NacosException;
    ListView<String> getServicesOfServer(int pageNo, int pageSize, String groupName, AbstractSelector selector) throws NacosException;
    List<ServiceInfo> getSubscribeServices() throws NacosException;
    String getServerStatus();
}
//Config Service Interface
public interface ConfigService {
    String getConfig(String dataId, String group, long timeoutMs) throws NacosException;
    String getConfigAndSignListener(String dataId, String group, long timeoutMs, Listener listener) throws NacosException;
    void addListener(String dataId, String group, Listener listener) throws NacosException;
    boolean publishConfig(String dataId, String group, String content) throws NacosException;
    boolean removeConfig(String dataId, String group) throws NacosException;
    void removeListener(String dataId, String group, Listener listener);
    String getServerStatus();
}

我们使用zk 做服务注册中心时,对zk 的api 和服务发现注册操作 之间要进行一些语义转换,NamingService 接口定义了 服务发现注册的 api。

NamingService 使用demo

Properties properties = new Properties();
properties.setProperty("serverAddr", System.getProperty("serverAddr"));
properties.setProperty("namespace", System.getProperty("namespace"));
NamingService naming = NamingFactory.createNamingService(properties);
naming.registerInstance("nacos.test.3", "11.11.11.11", 8888, "TEST1");

ConfigService 使用demo

Properties properties = new Properties();
properties.put("serverAddr", serverAddr);
ConfigService configService = NacosFactory.createConfigService(properties);
String content = configService.getConfig(dataId, group, 5000);

服务注册中心

  健康监测实现
zookeeper 利用临时节点的机制,业务服务启动时创建临时节点,节点在服务就在,节点不存在服务就不存在
etcd 利用TTL机制,业务服务启动时创建键值对,定时更新ttl,ttl过期则服务不可用
consul consul agent每个node一个,会所在节点的服务进行健康检查

ZooKeeper、etcd通过键值存储来实现服务的注册与发现,键值存储都是强一致性的,也就是说键值对会自动同步到多个节点,只要在某个节点上存在就可以认为对应的业务服务是可用的。

小结

分布式配置系统一般有以下不同:

  1. 对外提供的数据格式未完待续
  2. 一致性原理

有以下相同的地方

  1. 都会将部分数据存储在本地(可指定存储目录)
  2. 都是master-slave机制,当master挂掉时,集群立即协商新的master,并以master为准同步数据。
  3. 分布式配置中心为提高可靠性,会以集群的形态存在,那么集群在启动时,如何判定哪些节点是“自己人”。

其它,随着版本的发展,etcd和zookeeper等配置项和端口的意义会有些变化,此处不再赘述。