HDFS技术之高可用（七）
文章目录
- 1. 什么是HDFS高可用
- 2. HDFS高可用架构
- 2.1 NameNode（NN）节点
- 2.2 FailoverController（ZKFC）节点
- 2.3 JournalNode（JN）节点
- 2.4 DataNode（DN）节点
- 2.5 ZooKeeper（ZK）
- 3. NameNode的主备切换
- 3.1 三大组件的简要说明
- 3.2 NameNode主备切换流程
- 3.3 三大组件的实现分析
- 3.3.1 HealthMonitor
- 3.3.2 ActiveStandbyElecotr
- 3.3.2.1 创建锁节点
- 3.3.2.2 注册Watcher监听
- 3.3.2.3 自动触发主备选举
- 3.3.2.4 防止脑裂
- 3.3.3 ZKFailoverController
- 3.3.3.1 对HealthMonitor状态变化的处理
- 3.3.3.2 对ActiveStandbyElector主备选举状态变化的处理
- 4. 小结
1. 什么是HDFS高可用
NameNode存在单点故障问题。如果NN失效了，那么所有的客户端，包括MapReduce作业均无法读写文件，因为NN是唯一存储元数据与文件到数据块映射的地方。在这种情况下，Hadoop系统无法提供服务，为了减少由计算机硬件或软件易错性所带来的损失而导致NN节点失效问题，可以通过搭建HDFS高可用集群来实现NN的高可用。
HDFS高可用是配置了一对（active - standby）NN节点，当active NN 失效，standby NN就会接管它的任务并开始服务于来自客户端的请求，不会有任何明显的中断现象。
在这种情况下，要想从一个宕掉的NN中恢复，系统管理员需要启动一个拥有头文件系统元数据副本的新NN，并配置DataNode和客户端以便使用这个新的NN。新的NN必须满足以下情况才能响应服务：
- 将命名空间的映像导入内存中
- 重做编辑日志
- 接受到足够多的来自DataNode的数据块报告并退出安全模式，对于一个大型并拥有大量文件和数据块的集群，NN的冷启动需要30分钟甚至更长时间。
2. HDFS高可用架构
在Hadoop2.0 中，HDFS NameNode 和 YARN ResourceManger(JobTracker 在 2.0 中已经被整合到 YARN ResourceManger 之中) 的单点问题都得到了解决，经过多个版本的迭代和发展，目前已经能用于生产环境。HDFS NameNode 和 YARN ResourceManger 的高可用 (High Availability，HA) 方案基本类似，两者也复用了部分代码，但是由于 HDFS NameNode 对于数据存储和数据一致性的要求比 YARN ResourceManger 高得多，所以 HDFS NameNode 的高可用实现更为复杂一些，下图为HDFS NN高可用架构图。
在高可用架构图中主要包含：NameNode、FailoverController、JournalNod、DataNode、Zookeeper，下面分别简要介绍每个节点信息：
2.1 NameNode（NN）节点
主要包含Active NameNode 和 Standby NameNode，两台 NameNode 形成互备，一台处于 Active 状态，为主 NameNode，另外一台处于 Standby 状态，为备 NameNode，只有主 NameNode 才能对外提供读写服务。
2.2 FailoverController（ZKFC）节点
ZKFailoverController又叫主备切换器，用于监控和控制NN的状态切换、及时检测NN的健康状况，当Active节点挂掉后，借助 Zookeeper 实现自动的主备选举和切换，将Standby NN状态切换为Active。
2.3 JournalNode（JN）节点
JN节点位于高可用集群的中间部分，即为绿色的小圆柱体，主要用于共享edits日志文件。因为edits文件一旦丢失，就会导致元数据丢失，数据随之也就丢失了，这次JN也和Zookeeper一样是集群的形式存在的，来保障edits不会丢失。
2.4 DataNode（DN）节点
DataNode节点定时和NameNode节点进行通信（汇报数据块的位置信息），接受NN的指令，同时DataNode之间也会进行相互通信，执行数据块复制任务。
2.5 ZooKeeper（ZK）
为主备切换器提供主备选举支持，选择其中一个备用的NameNode为active。在这里搭建HA时，可以没有Secondary NN节点，在搭建完全分布式时的Secondary NN合并edits文件的功能由Standby的NN代替了。
3. NameNode的主备切换
3.1 三大组件的简要说明
NameNode 主备切换主要由 ZKFailoverController、HealthMonitor 和 ActiveStandbyElector 这 3 个组件来协同实现：
- ZKFailoverController 作为 NameNode 机器上一个独立的进程启动 (在 hdfs 启动脚本之中的进程名为 zkfc)，启动的时候会创建 HealthMonitor 和 ActiveStandbyElector 这两个主要的内部组件，ZKFailoverController 在创建 HealthMonitor 和 ActiveStandbyElector 的同时，也会向 HealthMonitor 和 ActiveStandbyElector 注册相应的回调方法。
- HealthMonitor 主要负责检测 NameNode 的健康状态，如果检测到 NameNode 的状态发生变化，会回调 ZKFailoverController 的相应方法进行自动的主备选举。
- ActiveStandbyElector 主要负责完成自动的主备选举，内部封装了 Zookeeper 的处理逻辑，一旦 Zookeeper 主备选举完成，会回调 ZKFailoverController 的相应方法来进行 NameNode 的主备状态切换。
3.2 NameNode主备切换流程
- HealthMonitor 初始化完成之后会启动内部的线程来定时调用对应 NameNode 的 HAServiceProtocol RPC 接口的方法，对 NameNode 的健康状态进行检测。
- HealthMonitor 如果检测到 NameNode 的健康状态发生变化，会回调 ZKFailoverController 注册的相应方法进行处理。
- 如果 ZKFailoverController 判断需要进行主备切换，会首先使用 ActiveStandbyElector 来进行自动的主备选举。
- ActiveStandbyElector 与 Zookeeper 进行交互完成自动的主备选举。
- ActiveStandbyElector 在主备选举完成后，会回调 ZKFailoverController 的相应方法来通知当前的 NameNode 成为主 NameNode 或备 NameNode。
- ZKFailoverController 调用对应 NameNode 的 HAServiceProtocol RPC 接口的方法将 NameNode 转换为 Active 状态或 Standby 状态。
3.3 三大组件的实现分析
3.3.1 HealthMonitor
在介绍HealthMonitor之前，先介绍以下HAServiceProtocol接口：
协议接口，提供高可用性相关原语来监视和故障转移服务。HA框架可以使用这个接口来管理服务
主要方法：
org.apache.hadoop.ha.HAServiceStatus getServiceStatus()
-----返回服务的当前状态
void monitorHealth()
-----监控服务的健康状况
void transitionToActive(org.apache.hadoop.ha.HAServiceProtocol.StateChangeRequestInfo reqInfo)
-----请求服务转换到活动状态
void transitionToStandby(org.apache.hadoop.ha.HAServiceProtocol.StateChangeRequestInfo reqInfo)
-----请求服务转换到备用状态
ZKFailoverController 在初始化的时候会创建 HealthMonitor，HealthMonitor 在内部会启动一个线程来循环调用 NameNode 的 HAServiceProtocol RPC 接口的方法来检测 NameNode 的状态，并将状态的变化通过回调的方式来通知 ZKFailoverController。
HealthMonitor 主要检测 NameNode 的两类状态，分别是 HealthMonitor.State 和 HAServiceStatus。
- HealthMonitor.State：通过 HAServiceProtocol RPC 接口的 monitorHealth 方法来获取的，反映了 NameNode 节点的健康状况，主要是磁盘存储资源是否充足。HealthMonitor.State 包括下面几种状态：
下面解释一下各字段的含义：
| 状态 | 说明 |
|---|---|
| INITIALIZING | HealthMonitor 在初始化过程中，还没有开始进行健康状况检测 |
| SERVICE_HEALTHY | NameNode 状态正常 |
| SERVICE_NOT_RESPONDING | 调用NameNode的monitorHealth方法调用无响应或响应超时 |
| SERVICE_UNHEALTHY | NameNode 还在运行，但是 monitorHealth 方法返回状态不正常，磁盘存储资源不足 |
| HEALTH_MONITOR_FAILED | HealthMonitor 自己在运行过程中发生了异常，不能继续检测 NameNode 的健康状况，会导致 ZKFailoverController 进程退出 |
- HAServiceStatus：通过 HAServiceProtocol RPC 接口的 getServiceStatus 方法来获取的，主要反映的是 NameNode 的 HA 状态，包括：
| 状态 | 说明 |
|---|---|
| INITIALIZING | NameNode 在初始化过程中 |
| ACTIVE | 当前 NameNode 为主 NameNode |
| STANDBY | 当前 NameNode 为主 NameNode |
| STOPPING | 当前 NameNode 为主 NameNode |
HAServiceStatus 在状态检测之中只是起辅助的作用，在HAServiceStatus发生变化时，HealthMonitor 也会回调 ZKFailoverController 的相应方法来进行处理，具体处理见后文 ZKFailoverController 部分所述。
3.3.2 ActiveStandbyElecotr
Namenode(包括YARN ResourceManager) 的主备选举是通过 ActiveStandbyElector 来完成的，主要是利用了 Zookeeper 的写一致性和临时节点机制，具体的主备选举实现如下：
3.3.2.1 创建锁节点
如果HealthMonitor检测到对应的NameNode的状态正常，那么表示这个 NameNode有资格参加Zookeeper的主备选举。如果目前还没有进行过主备选举的话，那么相应的 ActiveStandbyElector 就会发起一次主备选举，尝试在ZK上创建一个路径为/hadoop-ha/{dfs.nameservices}/ActiveStandbyElectorLock 的临时节点 (其中{dfs.nameservices} 为 Hadoop 的配置参数dfs.nameservices的值)，Zookeeper 的写一致性会保证最终只会有一个 ActiveStandbyElector 创建成功，那么创建成功的 ActiveStandbyElector 对应的 NameNode 就会成为主ameNode，ActiveStandbyElector 会回调 ZKFailoverController 的方法进一步将对应的 NameNode 切换为 Active 状态。而创建失败的NameNode成为备NameNode，ActiveStandbyElector会回调ZKFailoverController的方法进一步将对应的NN切换为Standby状态。
3.3.2.2 注册Watcher监听
不管创建/hadoop-ha/${dfs.nameservices}/ActiveStandbyElectorLock 节点是否成功，ActiveStandbyElector 随后都会向 Zookeeper 注册一个 Watcher 来监听这个节点的状态变化事件，ActiveStandbyElector 主要关注这个节点的 NodeDeleted 事件。
3.3.2.3 自动触发主备选举
如果Active NameNode对应的HealthMonitor检测到NameNode的状态异常时，ZKFailoverController 会主动删除当前在Zookeeper上建立的临时节点/hadoop-ha/{dfs.nameservices}/ActiveStandbyElectorLock，这样处于Standby状态的NameNode的ActiveStandbyElector注册的监听器就会收到这个节点的NodeDeleted事件。收到这个事件之后，会马上再次进入到创建/hadoop-ha/{dfs.nameservices}/ActiveStandbyElectorLock 节点的流程，如果创建成功，这个本来处于Standby状态的NameNode就选举为主NameNode并随后开始切换为Active状态。
当然，如果是 Active 状态的NameNode所在的机器整个宕掉的话，那么根据 Zookeeper 的临时节点特性，/hadoop-ha/{dfs.nameservices}/ActiveStandbyElectorLock 节点会自动被删除，从而也会自动进行一次主备切换。
3.3.2.4 防止脑裂
Zookeeper 在工程实践的过程中经常会发生的一个现象就是 Zookeeper 客户端“假死”，所谓的“假死”是指如果 Zookeeper 客户端机器负载过高或者正在进行JVM Full GC，那么可能会导致 Zookeeper 客户端到Zookeeper服务端的心跳不能正常发出，一旦这个时间持续较长，超过了配置的Zookeeper Session Timeout参数的话，Zookeeper 服务端就会认为客户端的session已经过期从而将客户端的Session关闭。“假死”有可能引起分布式系统常说的双主或脑裂 (brain-split) 现象。具体到本文所述的NameNode，假设 NameNode1 当前为 Active 状态，NameNode2 当前为 Standby 状态。如果某一时刻 NameNode1 对应的 ZKFailoverController 进程发生了“假死”现象，那么Zookeeper 服务端会认为NameNode1挂掉了，根据前面的主备切换逻辑，NameNode2会替代NameNode1进入Active状态。但是此时 NameNode1可能仍然处于Active状态正常运行，即使随后 NameNode1 对应的 ZKFailoverController 因为负载下降或者Full GC结束而恢复了正常，感知到自己和Zookeeper的Session已经关闭，但是由于网络的延迟以及 CPU 线程调度的不确定性，仍然有可能会在接下来的一段时间窗口内NameNode1认为自己还是处于 Active 状态。这样NameNode1和NameNode2都处于Active状态，都可以对外提供服务。这种情况对于 NameNode 这类对数据一致性要求非常高的系统来说是灾难性的，数据会发生错乱且无法恢复。Zookeeper 社区对这种问题的解决方法叫做 fencing，中文翻译为隔离，也就是想办法把旧的Active NameNode隔离起来，使它不能正常对外提供服务。
ActiveStandbyElector为了实现fencing，会在成功创建Zookeeper节点hadoop-ha/{dfs.nameservices}/ActiveStandbyElectorLock从而成为Active NameNode之后，创建另外一个路径为/hadoop-ha/{dfs.nameservices}/ActiveBreadCrumb 的持久节点，这个节点里面保存了这个Active NameNode的地址信息。Active NameNode的 ActiveStandbyElector 在正常的状态下关闭Zookeeper Session的时候 (注意由于/hadoop-ha/{dfs.nameservices}/ActiveStandbyElectorLock 是临时节点，也会随之删除)，会一起删除节点/hadoop-ha/{dfs.nameservices}/ActiveBreadCrumb。但是如果 ActiveStandbyElector在异常的状态下Zookeeper Session关闭 (比如前述的 Zookeeper假死)，那么由于/hadoop-ha/{dfs.nameservices}/ActiveBreadCrumb 是持久节点，会一直保留下来。后面当另一个NameNode选主成功之后，会注意到上一个Active NameNode遗留下来的这个节点，从而会回调 ZKFailoverController 的方法对旧的Active NameNode进行 fencing，具体处理见后文ZKFailoverController 部分所述。
3.3.3 ZKFailoverController
ZKFailoverController在创建HealthMonitor和ActiveStandbyElector的同时，会向 HealthMonitor和 ActiveStandbyElector注册相应的回调函数，ZKFailoverController的处理逻辑主要靠 HealthMonitor 和 ActiveStandbyElector的回调函数来驱动。
3.3.3.1 对HealthMonitor状态变化的处理
如前所述，HealthMonitor 会检测 NameNode 的两类状态，HealthMonitor.State 在状态检测之中起主要的作用，ZKFailoverController 注册到 HealthMonitor 上的处理 HealthMonitor.State 状态变化的回调函数主要关注 SERVICE_HEALTHY、SERVICE_NOT_RESPONDING 和 SERVICE_UNHEALTHY 这 3 种状态：
- 如果检测到状态为 SERVICE_HEALTHY，表示当前的 NameNode 有资格参加 Zookeeper 的主备选举，如果目前还没有进行过主备选举的话，ZKFailoverController 会调用 ActiveStandbyElector 的 joinElection 方法发起一次主备选举。
- 如果检测到状态为 SERVICE_NOT_RESPONDING 或者是 SERVICE_UNHEALTHY，就表示当前的 NameNode 出现问题了，ZKFailoverController 会调用 ActiveStandbyElector 的 quitElection 方法删除当前已经在 Zookeeper 上建立的临时节点退出主备选举，这样其它的 NameNode 就有机会成为主 NameNode。
而 HAServiceStatus 在状态检测之中仅起辅助的作用，在 HAServiceStatus 发生变化时，ZKFailoverController 注册到 HealthMonitor 上的处理 HAServiceStatus 状态变化的回调函数会判断 NameNode 返回的 HAServiceStatus 和 ZKFailoverController 所期望的是否一致，如果不一致的话，ZKFailoverController 也会调用 ActiveStandbyElector 的 quitElection 方法删除当前已经在 Zookeeper 上建立的临时节点退出主备选举。
3.3.3.2 对ActiveStandbyElector主备选举状态变化的处理
在 ActiveStandbyElector 的主备选举状态发生变化时，会回调 ZKFailoverController 注册的回调函数来进行相应的处理：
- 如果 ActiveStandbyElector 选主成功，那么 ActiveStandbyElector 对应的 NameNode 成为主 NameNode，ActiveStandbyElector 会回调 ZKFailoverController 的 becomeActive 方法，这个方法通过调用对应的 NameNode 的 HAServiceProtocol RPC 接口的 transitionToActive 方法，将 NameNode 转换为 Active 状态。
- 如果 ActiveStandbyElector 选主失败，那么 ActiveStandbyElector 对应的 NameNode 成为备 NameNode，ActiveStandbyElector 会回调 ZKFailoverController 的 becomeStandby 方法，这个方法通过调用对应的 NameNode 的 HAServiceProtocol RPC 接口的 transitionToStandby 方法，将 NameNode 转换为 Standby 状态。
- 如果 ActiveStandbyElector 选主成功之后，发现了上一个 Active NameNode 遗留下来的/hadoop-ha/${dfs.nameservices}/ActiveBreadCrumb 节点 (见“ActiveStandbyElector 实现分析”一节“防止脑裂”部分所述)，那么 ActiveStandbyElector 会首先回调 ZKFailoverController 注册的 fenceOldActive 方法，尝试对旧的 Active NameNode 进行 fencing，在进行 fencing 的时候，会执行以下的操作：
- 首先尝试调用这个旧 Active NameNode 的 HAServiceProtocol RPC 接口的 transitionToStandby 方法，看能不能把它转换为 Standby 状态。
- 如果transitionToStandby方法调用失败，那么就执行Hadoop配置文件之中预定义的隔离措施，Hadoop目前主要提供两种隔离措施，通常会选择 sshfence：
sshfence：通过SSH登录到目标机器上，执行命令 fuser 将对应的进程杀死
shellfence：执行一个用户自定义的 shell 脚本来将对应的进程隔离
只有在成功地执行完成 fencing之后，选主成功的ActiveStandbyElector才会回调ZKFailoverController的 becomeActive方法将对应的NameNode转换为 Active 状态，开始对外提供服务。
4. 小结
截止今天为止，研究生入学第二周结束了，整个第二周的成果就当作第二周的周报吧，也算是心安，实在是无力肝下去了。。
下周目标：
- 序列化、反序列化、SequenceFile、MapFile
- MapReduce的工作原理
- JAVA复习