Zookeeper如何实现集群管理？

随着分布式系统规模的日益扩大，集群中的机器规模也随之变大，那如何更好地进行集群管理也显得越来越重要了。所谓集群管理，包括集群监控与集群控制两大块，前者侧重对集群运行时状态的收集，后者则是对集群进行操作与控制。

在日常开发和运维过程中，我们经常会有类似于如下的需求：

·如何快速的统计出当前生产环境下一共有多少台机器

·如何快速的获取到机器上下线的情况

·如何实时监控集群中每台主机的运行时状态

在传统的基于Agent的分布式集群管理体系中，都是通过在集群中的每台机器上部署一个 Agent，由这个 Agent 负责主动向指定的一个监控中心系统(监控中心系统负责将所有数据进行集中处理，形成一系列报表，并负责实时报警，以下简称“监控中心”)汇报自己所在机器的状态。在集群规模适中的场景下，这确实是一种在生产实践中广泛使用的解决方案，能够快速有效地实现分布式环境集群监控，但是一旦系统的业务场景增多，集群规模变大之后，该解决方案的弊端也就显现出来了。

大规模升级困难

以客户端形式存在的 Agent，在大规模使用后，一旦遇上需要大规模升级的情况，就非常麻烦，在升级成本和升级进度的控制上面临巨大的挑战。

统一的Agent无法满足多样的需求

对于机器的CPU使用率、负载(Load)、内存使用率、网络吞吐以及磁盘容量等机器基本的物理状态，使用统一的Agent来进行监控或许都可以满足。但是，如果需要深入应用内部，对一些业务状态进行监控，例如，在一个分布式消息中间件中，希望监控到每个消费者对消息的消费状态;或者在一个分布式任务调度系统中，需要对每个机器上任务的执行情况进行监控。很显然，对于这些业务耦合紧密的监控需求，不适合由一个统一的Agent来提供。

编程语言多样性

随着越来越多编程语言的出现，各种异构系统层出不穷。如果使用传统的Agent方式，那么需要提供各种语言的 Agent 客户端。另一方面，“监控中心”在对异构系统的数据进行整合上面临巨大挑战。

Zookeeper的两大特性：

1.客户端如果对Zookeeper的数据节点注册Watcher监听，那么当该数据节点的内容或是其子节点列表发生变更时，Zookeeper服务器就会向订阅的客户端发送变更通知。

2.对在Zookeeper上创建的临时节点，一旦客户端与服务器之间的会话失效，那么临时节点也会被自动删除

利用其两大特性，可以实现集群机器存活监控系统，若监控系统在/clusterServers节点上注册一个Watcher监听，那么但凡进行动态添加机器的操作，就会在/clusterServers节点下创建一个临时节点：/clusterServers/[Hostname]，这样，监控系统就能够实时监测机器的变动情况。

下面通过分布式日志收集系统这个典型应用来学习Zookeeper如何实现集群管理。

分布式日志收集系统：

分布式日志收集系统的核心工作就是收集分布在不同机器上的系统日志，在这里我们重点来看分布式日志系统(以下简称“日志系统”)的收集器模块。

在一个典型的日志系统的架构设计中，整个日志系统会把所有需要收集的日志机器(我们以“日志源机器”代表此类机器)分为多个组别，每个组别对应一个收集器，这个收集器其实就是一个后台机器(我们以“收集器机器”代表此类机器)，用于收集日志

· 变化的日志源机器

在生产环境中，伴随着机器的变动，每个应用的机器几乎每天都是在变化的(机器硬件问题、扩容、机房迁移或是网络问题等都会导致一个应用的机器变化)，也就是说每个组别中的日志源机器通常是在不断变化的。

· 变化的收集器机器

日志收集系统自身也会有机器的变更或扩容，于是会出现新的收集器机器加入或是老的收集器机器退出的情况。

无论是日志源机器还是收集器机器的变更，最终都可以归结为如何快速、合理、动态地为每个收集器分配对应的日志源机器。这也成为了整个日志系统正确稳定运转的前提，也是日志收集过程中最大的技术挑战之一，在这种情况下，我们就可以引入zookeeper了，下面我们就来看ZooKeeper在这个场景中的使用。

使用Zookeeper的场景步骤如下

① 注册收集器机器

使用ZooKeeper来进行日志系统收集器的注册，典型做法是在ZooKeeper上创建一个节点作为收集器的根节点，例如/logs/collector(下文我们以“收集器节点”代表该数据节点)，每个收集器机器在启动的时候，都会在收集器节点下创建自己的节点，例如/logs/collector/[Hostname]

② 任务分发

待所有收集器机器都创建好自己对应的节点后，系统根据收集器节点下子节点的个数，将所有日志源机器分成对应的若干组，然后将分组后的机器列表分别写到这些收集器机器创建的子节点(例如/logs/collector/host1)上去。这样一来，每个收集器机器都能够从自己对应的收集器节点上获取日志源机器列表，进而开始进行日志收集工作。

③ 状态汇报

完成收集器机器的注册以及任务分发后，我们还要考虑到这些机器随时都有挂掉的可能。因此，针对这个问题，我们需要有一个收集器的状态汇报机制：每个收集器机器在创建完自己的专属节点后，还需要在对应的子节点上创建一个状态子节点，例如/logs/collector/host1/status，每个收集器机器都需要定期向该节点写入自己的状态信息。我们可以把这种策略看作是一种心跳检测机制，通常收集器机器都会在这个节点中写入日志收集进度信息。日志系统根据该状态子节点的最后更新时间来判断对应的收集器机器是否存活。

④ 动态分配

如果收集器机器挂掉或是扩容了，就需要动态地进行收集任务的分配。在运行过程中，日志系统始终关注着/logs/collector这个节点下所有子节点的变更，一旦检测到有收集器机器停止汇报或是有新的收集器机器加入，就要开始进行任务的重新分配。无论是针对收集器机器停止汇报还是新机器加入的情况，日志系统都需要将之前分配给该收集器的所有任务进行转移。为了解决这个问题，通常有两种做法：

· 全局动态分配

这是一种简单粗暴的做法，在出现收集器机器挂掉或是新机器加入的时候，日志系统需要根据新的收集器机器列表，立即对所有的日志源机器重新进行一次分组，然后将其分配给剩下的收集器机器。

· 局部动态分配

全局动态分配方式虽然策略简单，但是存在一个问题：一个或部分收集器机器的变更，就会导致全局动态任务的分配，影响面比较大，因此风险也就比较大。所谓局部动态分配，顾名思义就是在小范围内进行任务的动态分配。在这种策略中，每个收集器机器在汇报自己日志收集状态的同时，也会把自己的负载汇报上去。请注意，这里提到的负载并不仅仅只是简单地指机器CPU负载(Load)，而是一个对当前收集器任务执行的综合评估，这个评估算法和ZooKeeper本身并没有太大的关系，这里不再赘述。

在这种策略中，如果一个收集器机器挂了，那么日志系统就会把之前分配给这个机器的任务重新分配到那些负载较低的机器上去。同样，如果有新的收集器机器加入，会从那些负载高的机器上转移部分任务给这个新加入的机器。

上述步骤已经完整的说明了整个日志收集系统的工作流程，其中有两点注意事项：

①节点类型

在/logs/collector节点下创建临时节点可以很好的判断机器是否存活，但是，若机器挂了，其节点会被删除，记录在节点上的日志源机器列表也被清除，所以需要选择持久节点来标识每一台机器，同时在节点下分别创建/logs/collector/[Hostname]/status节点来表征每一个收集器机器的状态，这样，既能实现对所有机器的监控，同时机器挂掉后，依然能够将分配任务还原。

② 日志系统节点监听

若采用Watcher机制，那么通知的消息量的网络开销非常大，需要采用日志系统主动轮询收集器节点的策略，这样可以节省网络流量，但是存在一定的延时。