Apache ZooKeeper를 분석한다.

1. ZooKeeper

ZooKeeper는 분산 시스템 환경에서 Leader 선출, Node 상태, 분산 Lock 관리등 다양한 역할을 수행하는 분산 Coordinator이다. 안전성과 성능을 인정 받아 Hadoop, HBase, Storm, Kafka 등 다양한 Open Source Project에 이용되고 있다.

1.1. Architecture

분산 Coordinator는 분산 시스템의 일부분이 되어 동작하기 때문에 분산 Coordinator의 작동이 멈춘다면 분산 시스템도 정지하게 된다. ZooKeeper는 안전성을 확보하기 위해 다수의 Server를 이용하는 Server Cluster : Client 구조를 이용한다. Server Cluster는 하나의 Leader와 여러개의 Follower로 구성되어 있다. Server Cluster는 홀수 개수로 구성하는 것이 유리하다. Server간의 Consistency가 깨졌을 경우 과반수 이상의 Data를 기준으로 Consistency를 맞추기 때문이다.

각 Server는 Request Processor, Atomic Broadcast, In-memory DB로 구성되어 있다. Request Processor는 Leader Server만 이용한다. Client로 부터 온 모든 ZNode Write 요청은 Leader Server에게 전달된다. Leader Server는 받은 ZNode Write 요청을 Request Processor에서 처리한다. 그 후 Atomic Broadcast를 통해 Transaction을 생성 및 전파하여 ZNode Write 과정이 모든 Server에 올바르게 적용되도록 한다. Atomic Broadcast 사이의 Transaction 전파는 Zab(Zookeeper Atomic Broadcast Protocol)을 이용한다. Zab은 DB의 2-phase Commit과 유사한 Protocol이며 Leader-Propose, Follower-Accept, Leader-Commit 단계로 구성된다. 이러한 Zab Protocol를 통한 Transaction 전파는 Zookeeper의 주요 Overhead 중 하나이다.

ZNode 정보는 In-meomry DB에 저장된다. Local Filesystem에 In-memory DB의 Replication을 구성할 수 있다. Client는 Server에게 주기적으로 PING을 전송하여 Client의 동작을 알려준다. Server는 일정시간 Client로 부터 PING을 받지 못하면 Client/Network Issue가 발생했다고 간주하고 해당 Session을 종료한다. Client는 Server로부터 PING 응답을 받지 못하면 Server/Network Issue가 발생했다고 간주하고 다른 Server에게 연결을 시도한다.

1.2. ZNode

ZooKeeper는 ZNode 단위로 Data 저장 및 계층을 생성한다. [그림 2]는 ZNode로 구성된 Data Model을 나타내고 있다. File System처럼 Root를 기준으로 Tree 형태로 ZNode가 구성된다. 각 ZNode는 Data(byte[])와 Child Node를 가질수 있다.

ZNode는 Persistent Node와 Ephemeral Node로 구분된다. Persistent Node는 Client가 종료되더라도 유지되는 Node이다. Ephemeral Node는 Client가 종료되면 사라지는 Node이고, Child를 가질 수 없다. 또한 ZNode는 Sequence Node와 일반 Node로 구분 할 수 있다. Sequence Node는 생성시 Node이름 뒤에 숫자가 붙으며, 숫자는 중복되지 않는다. Persistent Node와 Ephemeral Node 모두 Sequence Node가 될 수 있다. Server의 Atomic Broadcast를 통해서 ZNode 생성/변경/삭제 동작은 Client 입장에서는 Sequence Consistency, Atomicity 특징을 보인다.

1.3. Watcher

Watcher는 ZNode의 변경을 Client에게 먼져 알려주는 역할을 수행한다. Client는 먼져 특정 ZNode에 대해 Watcher를 등록한다. 그 후 해당 ZNode의 Data가 변경되거나, Child Node가 생성/삭제 될 경우 Client에게 변경되었다는 Event를 Client에게 전달한다.

1.4. Usage Example

ZNode와 Watcher를 이용하여 분산 시스템 환경에서 필요한 다양한 기능을 구현 할 수 있다. 첫번째 그림을 통해서 ZooKeeper를 이용한 간단한 사용 예제를 설명한다.

1.4.1. Machine 상태 확인

Ephemeral Node는 Ephemeral Node를 생성한 Client가 Server Cluster와 접속이 끊기면 사라지는 Node이다. 따라서 Ephemeral Node를 이용하여 각 Machine 상태를 쉽게 파악 할 수 있다.

• 각 Machine에 Client를 설치하고 Server Cluster에 연결한다.
• 연결된 Client는 첫번째 그림의 machine Node처럼 특정 Node아래 의 고유 ID를 이름으로하는 Ephemeral Node를 생성한다. 그 후 machine Node를 감지하기 위한 Watcher를 등록한다.
• Client의 연결이 종료되어 Ephemeral Node가 사라지면 machine Node Watcher를 등록한 모든 Client에게 Event를 전달한다.
• Event를 받은 Client는 다른 Client의 종료 정보를 통해 Machine의 종료 상태를 파악 할 수 있다.

1.4.2. 분산 Lock

Sequence Node의 숫자는 중복되어 생성되지 않는 특징을 이용하여 분산 Lock을 구현 할 수 있다.

• 각 Node에 Client를 설치한다.
• Lock을 얻으려는 Client는 Server Cluster에 연결한 뒤 첫번째 그림의 lock Node처럼 특정 Node아래 Ephemeral/Sequence Node를 생성하고 생성된 Sequence 번호를 확인한다. 그 후 lock Node를 감지하기 위한 Watcher를 등록한뒤 대기한다.
• Watcher로 부터 Event가 오면 Client는 lock Node의 Child Node 중 Sequence 번호가 가장 작은 Node가 자신이 생성한 Sequence 번호와 일치 하는지 확인한다.
• 번호가 일치하면 해당 Client는 Lock을 획득한 뒤 연산을 수행한다. 연산 수행이 완료되면 연결을 끊는다.
• 연결이 끊기면 Ephemeral Node는 사라지기 때문에 lock Node Watcher는 다시 Event를 발생시켜 Client에게 전달한다.

2. 참조

• https://www.slideshare.net/madvirus/zookeeper-34888385
• http://www.allprogrammingtutorials.com/tutorials/introduction-to-apache-zookeeper.php
• https://www.slideshare.net/javawork/zookeeper-24265680