Разбираемся, что это за инструмент, какие у него есть плюсы, минусы и аналоги.
Александр Рыжков
Ментор Skillfactory, руководитель команды LightAutoML и 4х Kaggle Grandmaster
Что такое Apache ZooKeeper и зачем он нужен
В распределенных системах инструмент Apache ZooKeeper помогает разным частям (серверам, приложениям, процессам) работать согласованно.
Зачем это нужно?
Координация: ZooKeeper помогает разным частям системы «договариваться» о том, кто за что отвечает, кто главный, а кто — резервный. Если бы в оркестре скрипки сами решали, когда им вступать, — получился бы хаос!
Конфигурация: ZooKeeper хранит настройки и параметры для всей системы. Как ноты для оркестра — все видят одну и ту же партитуру.
Обнаружение сбоев: ZooKeeper следит за «здоровьем» каждого участника системы. Если кто-то «заболел» (сервер упал, приложение зависло), ZooKeeper сообщит об этом другим, и они смогут перестроиться. Представьте, что у вас в оркестре заболел скрипач, — дирижер (ZooKeeper) быстро найдет ему замену.
Блокировки: В распределенных системах часто бывает, что несколько процессов хотят одновременно получить доступ к одному и тому же ресурсу (например, файлу). ZooKeeper помогает им «встать в очередь» и не мешать друг другу, как регулировщик на перекрестке.
Из чего состоит Apache ZooKeeper
Znode (узел). Это основной строительный блок ZooKeeper. Znode — как папка в файловой системе, она может содержать не только другие папки, но и данные (небольшие объемы информации, например настройки). Znode бывают:
Постоянные (Persistent): существуют, пока их явно не удалят.
Эфемерные (Ephemeral): существуют, пока жив создавший их клиент (приложение). Если клиент «умирает», эфемерный Znode автоматически удаляется. Это очень удобно для обнаружения сбоев.
Последовательные (Sequential): к имени Znode автоматически добавляется уникальный счетчик. Это полезно для создания упорядоченных очередей.
Клиент (Client). Это приложение, которое подключается к ZooKeeper и взаимодействует с ним. Клиенты могут создавать, читать, изменять и удалять Znode.
Сервер (Server). ZooKeeper работает как кластер серверов. Один из серверов назначают лидером (Leader), остальные — ведомыми (Follower). Лидер обрабатывает все запросы на запись, а ведомые реплицируют данные, обеспечивая отказоустойчивость. Если лидер выходит из строя, назначают нового.
Сессия (Session). Когда клиент подключается к ZooKeeper, устанавливается сессия. У сессии есть таймаут — если клиент не подает признаков жизни в течение этого времени, сессия считается завершенной и все эфемерные Znode, созданные этим клиентом, удаляются.
Наблюдатель (Watcher). Клиент может подписаться на изменения определенного Znode. Если Znode изменится (данные обновятся, Znode удалят), клиент получит уведомление.
ACL (Access Control List), списки контроля доступа. Позволяют разграничивать права на чтение и запись для узлов.
Пример работы Apache ZooKeeper
Представим, что у нас есть простая система из трех серверов, которые обрабатывают данные. Нам нужно выбрать один из них в качестве главного (мастера), а остальные сделать резервными. Если мастер выходит из строя, нужно автоматически выбрать нового мастера.
Описание:
ZooKeeper Cluster: у нас есть кластер ZooKeeper из трех серверов (Z1, Z2, Z3). Z1 — лидер, остальные — ведомые.
Servers: три сервера (S1, S2, S3), которые хотят участвовать в выборах мастера.
/master Znode: эфемерный Znode в ZooKeeper, который будет представлять текущего мастера.
S1 создает /master: сервер S1 пытается создать эфемерный Znode /master. Если ему это удается, он становится мастером.
S2 и S3 наблюдают за /master: серверы S2 и S3 устанавливают наблюдателей (Watchers) на Znode /master.
Отказ S1: если S1 выходит из строя, его сессия с ZooKeeper завершается и эфемерный Znode /master автоматически удаляется.
Уведомление S2 и S3: S2 и S3 получают уведомление об удалении /master.
Выборы нового мастера: S2 и S3 пытаются создать /master. Тот, кому это удастся первым, становится новым мастером.
Таким образом, ZooKeeper обеспечивает автоматическое переключение мастера в случае сбоя, без ручного вмешательства.
Какие компании применяют Apache ZooKeeper в своей работе
Yahoo! ZooKeeper изначально разработали в Yahoo! для координации работы Hadoop (системы распределенной обработки данных). Его используют, чтобы управлять конфигурацией, выбирать лидера и обеспечивать отказоустойчивость в различных компонентах Hadoop. ZooKeeper в инфраструктуре Yahoo! отвечает за надежную работу многих сервисов.
Netflix. Netflix использует ZooKeeper для управления облаком. Он помогает обнаруживать сервисы, управлять конфигурацией и координировать распределенные задачи. ZooKeeper обеспечивает надежную работу системы, даже при большом количестве серверов и постоянных изменениях. Благодаря этому Netflix может быстро адаптироваться к меняющимся нагрузкам и обеспечивать бесперебойную работу для пользователей.
X (бывший Twitter) использует ZooKeeper для координации работы сервисов. Он помогает в управлении очередями сообщений, распределении задач и обеспечении отказоустойчивости. ZooKeeper отвечает за надежность доставки твитов и обработку больших объемов данных.
LinkedIn использует ZooKeeper для координации и синхронизации различных сервисов и компонентов платформы. ZooKeeper помогает LinkedIn обеспечивать консистентность данных и надежность работы распределенных систем. Благодаря ему LinkedIn может масштабировать свою инфраструктуру и поддерживать высокую доступность сервисов для миллионов пользователей.
Плюсы и минусы использования Apache ZooKeeper
Плюсы:
Надежность и отказоустойчивость. ZooKeeper разработан для работы в распределенной среде и способен выдерживать сбои отдельных серверов. Данные реплицируются между несколькими серверами, они сохранятся, даже если часть кластера выйдет из строя. Автоматический выбор лидера гарантирует, что система продолжит работать без ручного вмешательства.
Простота использования. У ZooKeeper простой для взаимодействия API. Разработчикам не нужно вникать в сложные детали реализации распределенных алгоритмов, достаточно использовать готовые примитивы, предоставляемые ZooKeeper. Это значительно упрощает разработку распределенных приложений.
Широкая распространенность. ZooKeeper — это зрелый и проверенный временем проект, который используется многими компаниями. У него большое сообщество пользователей и разработчиков, готовых помочь в решении проблем. Доступно множество документации, примеров и готовых библиотек для разных языков программирования.
Минусы:
Ограничение на размер данных. ZooKeeper не предназначен для хранения больших объемов данных. Каждый Znode может содержать лишь ограниченный объем информации (обычно до 1 Мб). Это связано с особенностями реализации ZooKeeper и необходимо для высокой производительности.
Сложность настройки. Настройка кластера ZooKeeper может быть непростой задачей, особенно для новичков. Нужно понимать принципы работы распределенных систем и особенности конфигурации ZooKeeper. Неправильная настройка может привести к проблемам с производительностью и отказоустойчивостью.
Единая точка отказа (в некоторых случаях). Хотя ZooKeeper — распределенная система, в некоторых случаях он может стать единой точкой отказа. Например, если все серверы ZooKeeper одновременно выйдут из строя, система перестанет работать. Чтобы избежать этого, необходимо тщательно планировать архитектуру и обеспечивать резервирование.
ZAB (ZooKeeper Atomic Broadcast) — протокол, используемый для обеспечения консистентности, может быть сложен для понимания.
Сравнение Apache ZooKeeper с аналогами
Система | Плюсы | Минусы |
ZooKeeper | + Надежность, отказоустойчивость. + Простота использования. + Широкая распространенность, зрелость проекта, большое сообщество. | — Ограничение на размер данных. — Сложность настройки. — Потенциальная единая точка отказа. ZAB может быть сложен. |
Consul | + Поддержка обнаружения сервисов (service discovery). + Встроенный механизм проверки здоровья (health checks). + Поддержка нескольких дата-центров. + Удобный веб-интерфейс. + Поддержка HTTP API. | — Более сложная архитектура, чем у ZooKeeper и etcd, может быть сложнее в настройке. |
Apache Curator | + Набор высокоуровневых утилит и рецептов, упрощающих работу с ZooKeeper. + Предоставляет готовые решения для распространенных задач, таких как выбор лидера, распределенные блокировки и очереди. + Уменьшает количество boilerplate-кода и упрощает разработку. | — Является не самостоятельной системой, а надстройкой над ZooKeeper. Требует наличия ZooKeeper. — Добавляет дополнительный уровень абстракции, который может быть избыточным в простых случаях. |
etcd | + Простота настройки и использования, поддержка HTTP/JSON API. + Хорошая производительность. + Активное развитие. + Используется в Kubernetes. | — Менее зрелый проект по сравнению с ZooKeeper, меньше сообщество. |
Что выбрать?
Если вам нужны максимальная надежность и зрелость и вы готовы к некоторой сложности настройки — выбирайте ZooKeeper.
Если вам нужна простота и вы используете Kubernetes, etcd — отличный выбор.
Если вам нужны расширенные возможности, такие как обнаружение сервисов и поддержка нескольких дата-центров, — обратите внимание на Consul.
Если вы уже используете ZooKeeper и хотите упростить разработку — используйте Apache Curator.
Обучиться работе с моделями машинного обучения: от базовой математики до написания собственного алгоритма — можно на совместной магистратуре Skillfactory и МИФИ «Прикладной анализ данных и машинное обучение».
