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Apache ZooKeeper를 분석한다.

1. ZooKeeper

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

1.1. Architecture

[그림 1] ZooKeeper 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 깨졌:q을 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

[그림 2] ZooKeeper 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 NodeEphemeral 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

[그림 3] Zookeeper Watcher

Watcher는 ZNode의 변경을 Client에게 먼져 알려주는 역활을 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.

1.4.2. 분산 Lock

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

2. 참조