Zookeeper: Bí quyết thuần hóa dữ liệu và thống trị thế giới phân tán!

Hãy tưởng tượng bạn đang xây dựng một hệ thống phân tán với hàng trăm hoặc hàng nghìn máy tính. Làm thế nào bạn có thể đảm bảo rằng tất cả các máy tính đều có quyền truy cập vào dữ liệu nhất quán? Làm thế nào bạn có thể giúp các máy tính, máy chủ khám phá và kết nối với nhau? Làm thế nào bạn có thể đảm bảo hệ thống của bạn vẫn hoạt động ngay cả khi một số máy tính bị lỗi? Các trang web lớn trên thế giới như Yahoo hay Quora quản lý lượng dữ liệu khổng lồ của họ như thế nào?

Zookeeper là câu trả lời cho những câu hỏi này.

I. ZooKeeper là gì?

ZooKeeper là một dự án mã nguồn mở của Apache được phát triển để cung cấp một dịch vụ phân tán để quản lý và duy trì thông tin cấu trúc như cấu hình, trạng thái, và thông tin khóa. Được thiết kế để hoạt động trong một môi trường phân tán, ZooKeeper cung cấp một hệ thống tập trung để các ứng dụng có thể sử dụng để triển khai các tính năng như đồng bộ hóa, quản lý khóa và giá trị, cũng như theo dõi trạng thái của các nút phân tán trong hệ thống.

II. Mục đích thiết kế của Zookeeper

• Sự đơn giản: ZooKeeper cho phép các tiến trình phân tán phối hợp với nhau thông qua một không gian tên phân cấp được chia sẻ, được tổ chức tương tự như một hệ thống tệp tin chuẩn. Không gian tên này bao gồm các đăng ký dữ liệu – được gọi là znode trong thuật ngữ của ZooKeeper – tương tự như các tệp và thư mục. Không giống như hệ thống tệp tin điển hình được thiết kế để lưu trữ, dữ liệu của ZooKeeper được lưu trữ trong bộ nhớ, có nghĩa là ZooKeeper có thể đạt được thông lượng cao và độ trễ thấp.

• Hiệu suất cao, khả năng sẵn sàng cao và truy cập được sắp xếp nghiêm ngặt: Việc triển khai ZooKeeper đặt ưu tiên hàng đầu vào hiệu suất cao, khả năng sẵn sàng cao và truy cập được sắp xếp nghiêm ngặt. Các khía cạnh về hiệu suất của ZooKeeper cho phép nó có thể được sử dụng trong các hệ thống phân tán lớn. Các khía cạnh về độ tin cậy giúp nó không trở thành một điểm lỗi duy nhất. Việc sắp xếp nghiêm ngặt cho phép triển khai các đồng bộ hóa phức tạp ở phía máy khách.

• Tính khả dụng cao: Giống như các tiến trình phân tán mà nó phối hợp, bản thân ZooKeeper cũng được thiết kế để sao chép trên một tập hợp các máy chủ được gọi là ensemble. Điều này đảm bảo tính sẵn sàng cao và khả năng chịu lỗi cho toàn bộ hệ thống.

III. Vậy Zookeeper đã làm như nào?

1. Quorum: ZooKeeper sử dụng mô hình quorum để đảm bảo tính nhất quán giữa các node trong hệ thống. Một tập hợp các node được gọi là “ensemble” tham gia vào quá trình quyết định và duy trì trạng thái chung. Ít nhất là một phần trăm nửa số node trong ensemble phải hoạt động để hệ thống tiếp tục hoạt động đúng cách.
2. ZooKeeper Atomic Broadcast (ZAB) là giao thức cốt lõi đảm bảo tính nhất quán dữ liệu và khả dụng cao trong hệ thống phân tán của ZooKeeper.
   Về cơ bản, ZAB cung cấp cơ chế để các máy chủ (server) trong hệ thống ZooKeeper đồng bộ với nhau, đảm bảo:

• • Tính toàn bộ (liên tục): Mọi thay đổi dữ liệu được đề xuất cuối cùng sẽ được tất cả các server chấp nhận và áp dụng. Không có dữ liệu nào bị mất hoặc bị bỏ qua.
  • Tính an toàn (bền bỉ): Mỗi thay đổi dữ liệu chỉ được áp dụng một lần. Không có thay đổi nào bị thực hiện nhiều lần hoặc trái ngược nhau.
  • Thứ tự toàn bộ (total order): Các thay đổi dữ liệu được áp dụng trên tất cả các server theo cùng một thứ tự. Điều này đảm bảo sự nhất quán giữa các server và ngăn ngừa các nguy hiểm.

Cơ chế này hoạt động như sau:

• • ZooKeeper sử dụng một vòng lặp đồng thuận để chọn một nút để thực hiện thay đổi dữ liệu. Vòng lặp đồng thuận bắt đầu với tất cả các nút trong hệ thống gửi yêu cầu đồng thuận đến một nút khác. Nút nhận được yêu cầu đồng thuận sẽ gửi yêu cầu đồng thuận đến một nút khác, và cứ tiếp tục như vậy.
  • Quá trình này tiếp tục cho đến khi một nút nhận được đủ số yêu cầu đồng thuận từ các nút khác. Nút này sẽ được coi là nút được chọn để thực hiện thay đổi dữ liệu.
  • Khi một nút được chọn để thực hiện thay đổi dữ liệu, nó sẽ gửi yêu cầu thay đổi dữ liệu đến tất cả các nút khác trong hệ thống. Các nút khác sẽ xác minh yêu cầu thay đổi dữ liệu. Nếu yêu cầu thay đổi dữ liệu được xác minh, các nút khác sẽ cập nhật dữ liệu của chúng.
  • Quá trình đồng bộ hóa dữ liệu của ZooKeeper đảm bảo rằng dữ liệu sẽ luôn được đồng bộ hóa giữa các nút trong hệ thống phân tán. Điều này rất quan trọng đối với nhiều ứng dụng phân tán, chẳng hạn như các ứng dụng cần duy trì trạng thái hoặc điều phối hoạt động của các ứng dụng khác.

ZooKeeper yêu cầu đồng thuận từ các nút khác trong hệ thống khi thay đổi dữ liệu để đảm bảo rằng tất cả các nút trong hệ thống đều có cùng phiên bản dữ liệu. Điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng phân tán, vì các ứng dụng này thường phụ thuộc vào dữ liệu được lưu trữ trong ZooKeeper.

3. Quản lý khóa và Semaphore

Trong ZooKeeper, có hai khái niệm chính liên quan đến quản lý khóa và đồng bộ hóa: ZooKeeper Locks và ZooKeeper Semaphore.

• • ZooKeeper Locks (Khóa ZooKeeper):
    • ZooKeeper Locks là một cơ chế mà các quy trình (processes) có thể sử dụng để đồng bộ hóa truy cập vào tài nguyên chia sẻ.
    • Khi một quy trình muốn thực hiện công việc yêu cầu sự đồng bộ hóa, nó có thể yêu cầu tạo một khóa ZooKeeper.
    • Nếu quy trình đã giữ được khóa, nghĩa là nó có quyền truy cập vào tài nguyên chia sẻ. Ngược lại, nếu khóa đã được ai đó giữ, quy trình hiện tại phải đợi cho đến khi khóa được giải phóng.
  • ZooKeeper Semaphore (Semaphore ZooKeeper):
    • ZooKeeper Semaphore cung cấp một cơ chế để quản lý số lượng quy trình được phép truy cập vào một tài nguyên cụ thể cùng một lúc.
    • Nó cho phép bạn quy định một số lượng cố định các “xác nhận” được cấp phép tại một thời điểm. Các quy trình khác sẽ phải đợi cho đến khi một xác nhận được giải phóng trước khi chúng có thể tiếp tục.

4. Phát hiện sự cố và khôi phục dữ liệu

ZooKeeper sử dụng một số cơ chế để phát hiện sự cố như là :

• • Ping:Các máy chủ ZooKeeper định kỳ gửi ping cho nhau để xác minh sự tồn tại của nhau. Nếu một máy chủ không gửi ping trong một khoảng thời gian nhất định, nó sẽ được coi là bị lỗi.
  • Quorum: ZooKeeper sử dụng một cơ chế gọi là quorum để đảm bảo rằng dữ liệu luôn được đồng bộ. Quorum là một tập hợp các máy chủ ZooKeeper cần phải hoạt động để ZooKeeper hoạt động bình thường. Nếu số lượng máy chủ trong quorum giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, ZooKeeper sẽ coi đó là một sự cố.
  • Watcher: Các ứng dụng có thể đăng ký watcher trên các znode. Nếu một znode bị thay đổi hoặc bị xóa, các watcher sẽ được thông báo. Điều này cho phép các ứng dụng phát hiện sự cố xảy ra với dữ liệu được quản lý bởi ZooKeeper.

Khi ZooKeeper phát hiện sự cố, nó sẽ thực hiện các bước sau để khôi phục:

• • Chọn một máy chủ leader mới: Máy chủ leader chịu trách nhiệm quản lý dữ liệu và điều phối hoạt động của các máy chủ ZooKeeper khác. Khi một máy chủ leader bị lỗi, ZooKeeper sẽ chọn một máy chủ mới để thay thế.
  • Khôi phục dữ liệu: Nếu dữ liệu bị mất hoặc bị hỏng do sự cố, ZooKeeper sẽ sử dụng các bản sao lưu để khôi phục dữ liệu.
  • Thông báo cho các ứng dụng: ZooKeeper sẽ thông báo cho các ứng dụng về sự cố và khôi phục. Điều này cho phép các ứng dụng cập nhật trạng thái của chúng và đảm bảo rằng chúng hoạt động bình thường.

Example: Giả sử có một tập hợp 3 máy chủ ZooKeeper, với quorum là 2. Nếu một máy chủ bị lỗi, ZooKeeper sẽ chọn một máy chủ khác để thay thế. Máy chủ leader mới sẽ sử dụng các bản sao lưu để khôi phục dữ liệu. Các ứng dụng sẽ được thông báo về sự cố và khôi phục.

Khi một ZooKeeper client mất kết nối với một server cụ thể và server đó không khả dụng, client sẽ cố gắng kết nối lại hoặc chuyển đổi sang một server khác trong ensemble. Quá trình này thường xảy ra tự động và không đòi hỏi sự can thiệp từ phía người lập trình.

IV. Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm của ZooKeeper:

• • Đơn giản: ZooKeeper cung cấp một API đơn giản và dễ sử dụng để quản lý dữ liệu và phối hợp các tiến trình phân tán.
  • Hiệu suất cao: ZooKeeper được thiết kế để hoạt động hiệu quả với các hệ thống phân tán lớn.
  • Khả năng sẵn sàng cao: ZooKeeper có thể chịu được lỗi của các thành phần trong hệ thống, đảm bảo tính sẵn sàng cao cho các ứng dụng của bạn.
  • Khả năng mở rộng: ZooKeeper có thể được mở rộng để hỗ trợ một số lượng lớn các máy chủ và ứng dụng.
  • Bảo mật: ZooKeeper cung cấp các tính năng bảo mật mạnh mẽ để bảo vệ dữ liệu của bạn.
  • Mã nguồn mở: ZooKeeper là một dự án mã nguồn mở, có nghĩa là nó miễn phí để sử dụng và sửa đổi.

Nhược điểm của ZooKeeper:

• • Độ phức tạp: Mặc dù API của ZooKeeper đơn giản, nhưng việc thiết kế và triển khai các ứng dụng sử dụng ZooKeeper có thể phức tạp.
  • Bảo mật: Mặc dù ZooKeeper cung cấp các tính năng bảo mật mạnh mẽ, nhưng việc bảo mật hệ thống ZooKeeper có thể phức tạp.
  • Khả năng mở rộng: Mặc dù ZooKeeper có thể được mở rộng, nhưng việc mở rộng hệ thống ZooKeeper có thể phức tạp và tốn kém.

V. Triển khai

Sau đây là hướng dẫn cài đặt zookeeper và cách sử dụng cơ bản của nó:

1. Khởi chạy: Để cài đặt Zookeeper chúng ta có thể trực tiếp tải file cài đặt trên trang chủ Apache Zookeeper: https://zookeeper.apache.org/
2. Cài đặt zookeeper: Khi bạn đã tải xuống ZooKeeper, hãy giải nén nó và cd vào thư mục gốc

Để khởi động ZooKeeper, bạn cần có tệp cấu hình. Hãy thiết lập nó trong conf/zoo.cfg:

Tệp này có thể được gọi là bất kỳ tên nào, nhưng vì để dễ nhất, chúng ta hãy đặt là conf/zoo.cfg . Thay đổi giá trị của dataDir để chỉ định thư mục hiện có. Dưới đây là ý nghĩa của từng trường:

• • • tickTime: đơn vị thời gian cơ bản tính bằng mili giây được ZooKeeper sử dụng. Nó được sử dụng để đo nhịp tim và thời gian chờ tối thiểu của phiên.
    • dataDir: vị trí lưu trữ data của zookeeper.
    • clientPort: cổng để lắng nghe kết nối máy khách

Bây giờ bạn đã tạo tệp cấu hình, bạn có thể khởi động ZooKeeper:

Khi kết nối thành công bạn sẽ thấy giao diện như sau:

Từ shell, gõ help để nhận danh sách các lệnh có thể được thực thi từ máy khách, như trong:

VI. Kết Luận

Zookeeper là một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt được sử dụng để quản lý các hệ thống phân tán. Nó cung cấp một tập hợp các tính năng phong phú giúp các ứng dụng phân tán có thể hoạt động một cách đáng tin cậy và hiệu quả.

Hãy bắt đầu sử dụng Zookeeper ngay hôm nay để xây dựng các hệ thống phân tán mạnh mẽ và đáng tin cậy!

Để tìm hiểu thêm về Zookeeper, bạn có thể truy cập:

• • Trang web chính thức của Apache Zookeeper: https://zookeeper.apache.org/
  • Tài liệu Apache Zookeeper: https://zookeeper.apache.org/documentation.html
  • Cộng đồng Apache Zookeeper: https://zookeeper.apache.org/