Hadoop Yarn初探

前言

经过多年的发展形成了Hadoop1.X生态系统，其结构如下图所示：

其mapReduce的结构如下：

从上图中可以清楚的看出原 MapReduce 程序的流程及设计思路：
1. 用户程序 (JobClient) 提交了一个 job，job 的信息会发送到 Job Tracker 中，Job Tracker 是 Map-reduce 框架的中心，他需要与集群中的机器定时通信 (heartbeat), 需要管理哪些程序应该跑在哪些机器上，需要管理所有 job 失败、重启等操作。
2. TaskTracker 是 Map-reduce 集群中每台机器都有的一个部分，他做的事情主要是监视自己所在机器的资源情况。
3. TaskTracker 同时监视当前机器的 tasks 运行状况。TaskTracker 需要把这些信息通过 heartbeat 发送给 JobTracker，JobTracker 会搜集这些信息以给新提交的 job 分配运行在哪些机器上。上图虚线箭头就是表示消息的发送 - 接收的过程。
如果上图看不清，可以看下面这个：

但是这种架构带来了很多局限性，表现在如下方面：
1. 扩展性差。JobTracker同时兼备了资源管理和作业控制两个功能，这成为系统的一个最大瓶颈，严重制约了Hadoop集群扩展性。
2. 可靠性差。MRv1采用了master/slave结构，其中，master存在单点故障问题，一旦它出现故障将导致整个集群不可用。
3. 资源利用率低。MRv1采用了基于槽位的资源分配模型，槽位是一种粗粒度的资源划分单位，通常一个任务不会用完槽位对应的资源，且其他任务也无法使用这些空闲资源。此外，Hadoop将槽位分为Map Slot和Reduce Slot两种，且不允许它们之间共享，常常会导致一种槽位资源紧张而另外一种闲置（比如一个作业刚刚提交时，只会运行Map Task，此时Reduce Slot闲置）。
4. 无法支持多种计算框架。随着互联网高速发展，MapReduce这种基于磁盘的离线计算框架已经不能满足应用要求，从而出现了一些新的计算框架，包括内存计算框架、流式计算框架和迭代式计算框架等，而MRv1不能支持多种计算框架并存。
为了克服以上缺点，Apache开始尝试对Hadoop进行升级改造，进而诞生了更加先进的下一代MapReduce计算框架MRv2。正是由于MRv2将资源管理功能抽象成了一个独立的通用系统YARN，直接导致下一代MapReduce的核心从单一的计算框架MapReduce转移为通用的资源管理系统YARN。
yarn在整个hadoop 2.x中的位置：

Yarn简介

Yarn是Hadoop集群的资源管理系统，当然也可以称之为弹性计算平台，之所以被称为平台，是因为它的目标已经不再局限于支持MapReduce一种计算框架，而是朝着对多种框架进行统一管理的方向发展。
这样做的好处是明显的：资源利用率高，运维成本低，数据共享等等。。。

Yarn基本架构

YARN总体上仍然是Master/Slave结构，在整个资源管理框架中，ResourceManager为Master，NodeManager为Slave，ResourceManager负责对各个NodeManager上的资源进行统一管理和调度。当用户提交一个应用程序时，需要提供一个用以跟踪和管理这个程序的ApplicationMaster，它负责向ResourceManager申请资源，并要求NodeManger启动可以占用一定资源的任务。由于不同的ApplicationMaster被分布到不同的节点上，因此它们之间不会相互影响。

ResourceManager（RM）

RM是一个全局的资源管理器，负责整个系统的资源管理和分配。它主要由两个组件构成：调度器（Scheduler）和应用程序管理器（Applications Manager，ASM）。

调度器

ResourceManager 是基于应用程序对资源的需求进行调度的 ; 每一个应用程序需要不同类型的资源因此就需要不同的容器。资源包括：内存，CPU，磁盘，网络等等。可以看出，这同现 Mapreduce 固定类型的资源使用模型有显著区别，它给集群的使用带来负面的影响。资源管理器提供一个调度策略的插件，它负责将集群资源分配给多个队列和应用程序。YARN提供了多种直接可用的调度器，比如FairScheduler和Capacity Scheduler等。

应用程序管理器

应用程序管理器（ApplicationManager）负责管理整个系统中所有应用程序，包括应用程序提交、与调度器协商资源以启动ApplicationMaster、监控ApplicationMaster运行状态并在失败时重新启动它等。

ApplicationMaster（AM）

用户提交的每个应用程序均包含一个AM，主要功能包括：
1. 与RM调度器协商以获取资源（用Container表示）；
2. 将得到的任务进一步分配给内部的任务；
3. 与NM通信以启动/停止任务；
4. 监控所有任务运行状态，并在任务运行失败时重新为任务申请资源以重启任务。

在1.0版本里，hadoop只支持mapreduce结构的job，这不是一种通用的框架。Yarn的出现解决了这个问题，关于Job或应用的管理都是由ApplicationMaster进程负责的，Yarn允许我们自己开发ApplicationMaster，我们可以为自己的应用开发自己的ApplicationMaster。这样每一个类型的应用都会对应一个ApplicationMaster，一个ApplicationMaster其实就是一个类库。

这里要区分ApplicationMaster*类库和ApplicationMaster实例*，一个ApplicationMaster类库何以对应多个实例，就行java语言中的类和类的实例关系一样。总结来说就是，每种类型的应用都会对应着一个ApplicationMaster，每个类型的应用都可以启动多个ApplicationMaster实例。所以，在yarn中，是每个job都会对应一个ApplicationMaster而不是每类。

NodeManager（NM）

NM是集群中每个节点上的资源和任务管理器，一方面，它会定时地向RM汇报本节点上的资源使用情况和各个Container的运行状态；另一方面，它接收并处理来自AM的Container启动/停止等各种请求。

Container

Container是YARN中的资源抽象，它封装了某个节点上的多维度资源，如内存、CPU、磁盘、网络等，当AM向RM申请资源时，RM为AM返回的资源便是用Container表示的。YARN会为每个任务分配一个Container，且该任务只能使用该Container中描述的资源。需要注意的是，Container不同于MRv1中的slot，它是一个动态资源划分单位，是根据应用程序的需求动态生成的。

通信协议

在YARN中，任何两个需相互通信的组件之间仅有一个RPC（远程过程调用）协议，而对于任何一个RPC协议，通信双方有一端是Client，另一端为Server，且Client总是主动连接Server的，因此，YARN实际上采用的是拉式（pull-based）通信模型。

箭头指向的组件是RPC Server，而箭头尾部的组件是RPC Client，箭头上标明的是协议名称，读者有兴趣可以自行了解。

Yarn工作流程

步骤1 用户向YARN中提交应用程序，其中包括ApplicationMaster程序、启动ApplicationMaster的命令、用户程序等。
步骤2 ResourceManager为该应用程序分配第一个Container，并与对应的NodeManager通信，要求它在这个Container中启动应用程序的ApplicationMaster。
步骤3 ApplicationMaster首先向ResourceManager注册，这样用户可以直接通过ResourceManage查看应用程序的运行状态，然后它将为各个任务申请资源，并监控它的运行状态，直到运行结束，即重复步骤4~7。
步骤4 ApplicationMaster采用轮询的方式通过RPC协议向ResourceManager申请和领取资源。
步骤5 一旦ApplicationMaster申请到资源后，便与对应的NodeManager通信，要求它启动任务。
步骤6 NodeManager为任务设置好运行环境（包括环境变量、JAR包、二进制程序等）后，将任务启动命令写到一个脚本中，并通过运行该脚本启动任务。
步骤7 各个任务通过某个RPC协议向ApplicationMaster汇报自己的状态和进度，以让ApplicationMaster随时掌握各个任务的运行状态，从而可以在任务失败时重新启动任务。在应用程序运行过程中，用户可随时通过RPC向ApplicationMaster查询应用程序的当前运行状态。
步骤8 应用程序运行完成后，ApplicationMaster向ResourceManager注销并关闭自己。

对YARN的理解

当我看到调度器的时候我的第一反应就是，这个操作系统不是一样的吗，其实Yarn和HDFS可以看作组成了一个分布式操作系统，storm，spark，mapred之类的就像在OS上运行的程序。每个应用程序对于的ApplicationMaster就相当于主线程，然后再由ApplicationMaster负责数据切分、任务分配、启动和监控等工作，而由ApplicationMaster启动的各个Task（相当于子线程）仅负责自己的计算任务。当所有任务计算完成后，ApplicationMaster认为应用程序运行完成，然后退出。

参考文章

https://www.shiyanlou.com/courses/237/labs/764/document
https://www.ibm.com/developerworks/cn/opensource/os-cn-hadoop-yarn/
http://blog.csdn.net/suifeng3051/article/details/49486927
《Hadoop技术内幕——深入理解YARN架构设计与实现原理》