分布式调度架构：两层调度
分布式调度架构：两层调度
- 前言
- 什么是两层调度？
- 两层调度设计
- 两层调度架构
- 资源分配算法
-
- 最大最小公平算法
- 主导资源公平算法。
- 对比这两种调度算法
- 知识扩展：两层调度如何保证不同的业务不会互相干扰？
- 总结
前言
单体调度的核心是，所有节点的资源以及用户的任务均由中央服务器统一管理和调度。因此，中央服务器很容易成为单点瓶颈，会直接导致其支持的调度规模和服务类型受限。
于是两层调度就出现了
什么是两层调度？
在单体调度架构中，中央服务器的单点瓶颈问题，会限制调度的效率和支持的任务类型。中央服务器的性能会限制调度的效率很好理解，但为什么会限制支持的任务类型呢？
这是因为不同的服务具有不同的特征，对调度框架和计算的要求都不一样。比如，业务最开始时只有批处理任务，后来发展到同时还包括流数据任务，但批处理任务是处理静态数据，流数据任务却是处理实时数据。显然，单体调度框架会随着任务类型增加而变得越来越复杂，最终出现扩展瓶颈。
为了提升调度效率并支持多种类型的任务，把资源和任务分开调度，一层调度器只负责资源管理和分配，另外一层调度器负责任务与资源的匹配。这种调度架构就是两层调度。
两层调度结构对应的就是两层调度器，资源的使用状态同时由中央调度器和第二层调度器管理，中央调度器从整体上进行资源的管理与分配，将资源分配到第二层调度器；再由第二层调度器负责将资源与具体的任务配对，因此第二层调度可以有多个调度器，以支持不同的任务类型。
如下图所示，Scheduler-1 表示第一层调度，负责收集和管理集群中的资源信息；Scheduler-2 表示第二层调度，Scheduler-1 会将集群资源发送给 Scheduler-2，然后 Scheduler-2 根据任务的资源需求和 Scheduler-1 发送的资源信息进行任务匹配和调度。
两层调度器中的第一层调度器仍是一个经简化的中央调度器，通常放在分布式集群管理系统中，而第二层调度则是由各个应用程序框架完成。
两层调度器的职责分别是：
- 第一层调度器负责管理资源并向框架分配资源，
- 第二层调度器接收分布式集群管理系统中第一层调度器分配的资源，然后根据任务和接收到的资源进行匹配。
采用两层调度结构的集群管理系统有很多，典型代表是 Apache Mesos 和 Hadoop YARN。
两层调度设计
由于 Mesos 只负责底层资源的管理和分配，并不涉及存储、 任务调度等功能，因此 Mesos 要实现类似 Borg 那样的资源与任务管理，还需要上层框架的配合。
具体到两层调度架构上，Mesos 本身实现的调度器为第一层调度，负责资源管理，然后将第二层任务调度交给了框架完成。
两层调度架构
以 Mesos 为基础的分布式资源管理与调度框架包括Mesos 资源管理集群和框架两部分：
- 资源管理集群是由一个 Master 节点和多个 Slave 节点组成的集中式系统。每个集群有且仅有一个 Master 节点，负责管理 Slave 节点，并对接上层框架；Slave 节点向 Master 节点周期汇报资源状态信息，并执行框架提交的任务。
- 框架（Framework）运行在 Mesos 上，是负责应用管理与调度的“组件”，比如 Hadoop、Spark、MPI 和 Marathon 等，不同的框架用于完成不同的任务，比如批处理任务、实时分析任务等。框架主要由调度器（Scheduler）和执行器（Executor）组成，调度器可以从 Master 节点获取集群节点的信息 ，执行器在 Slave 节点上执行任务。
Mesos 是一个典型的双层调度框架。Mesos Master 上有一个调度器（也就是 Allocation Module），负责管理并分配集群中的所有资源，是第一层调度。框架上负责任务的管理与调度的调度器，是第二层调度，如下图所示。
Mesos 两层调度的基本原理：
- 框架向 Mesos Master 注册；
- Mesos Slave 节点定期或周期向 Mesos Master 上报本节点的空闲资源；
- Mesos Master 的 Scheduler 进程收集所有节点的空闲资源信息，并以 Resource Offer 的方式将空闲资源发送给注册的框架；
- 框架的 Scheduler 接收到 Mesos 发送的资源后，进行任务调度与匹配，匹配成功后，将匹配结果下发给 Mesos Master，并由 Mesos Master 转发给相应节点的执行器执行任务。
Mesos 实现双层调度时，采用 Resource Offer 机制衔接了第一层和第二层调度。Resource Offer 机制指的是 Mesos Master 主动将节点空闲资源，以类似发放（Offer）的方式发给每个框架，如果框架需要则使用，不需要则还回。
通过 Resource Offer 机制，第一层调度将资源主动告知第二层调度，然后第二层调度进行具体的任务匹配，从而实现了任务调度与资源管理的分离，Mesos Master 通过资源分配算法决定给各个 Framework 提供多少资源，而 Framework 则决定接受哪些资源，以及哪些任务使用这些资源运行。这样一来，一个两层调度架构就实现了。
资源分配算法
Mesos 的资源分配算法解决的问题是，决策需要将当前可用资源分配给哪些框架以及分配多少。两种主要的资源分配算法：
- 最大最小公平算法（Max-min Fairness，MMF）
- 主导资源公平算法（Dominant Resource Fairness，DRF）。
最大最小公平算法
最大最小公平算法是在兼顾公平的前提下，尽可能让更多人满意的资源分配算法。有 3 个主要原则：
- 按照用户对资源需求量递增的顺序进行空闲资源分配；
- 不存在用户得到的资源超过自己需求的情况；
- 对于分配的资源不满足需求的用户，所获得的资源是相等的。
在执行资源分配时，最大最小公平算法按照上述 3 条原则进行多次迭代，每次迭代中资源均平均分配，如果还有剩余资源，就进入下一次迭代，一直到所有用户资源得到满足或集群资源分配完毕，迭代结束。
假设，现在有总量为 100 的空闲资源，有 4 个用户 A、B、C、D 对该资源的需求量分别为（35，10，25，45），分配流程如下所示：
- 按照用户对资源的需求量升序排列，则 4 个用户的需求量为（B:10，C:25，A:35，D:45）。
- 平均分配空闲资源。资源空闲总量 100，除以用户数 4，则平均空闲资源量为 25；按照第一步中需求量分配后，用户资源需求量为（0，0，10，20），且用户 B 由于资源需求量小于 25，因此会剩余资源。此时空闲资源量为 15，资源需求人数为 2。
- 重复第二步，平均分配资源，15/2=7.5，即分别为用户 A 和 D 分配 7.5 份资源，此时用户资源需求量为（0，0，2.5，12.5），空闲资源量为 0，资源需求人数为 2。
- 所有资源已分配完，算法终止。
最大最小公平算法的执行流程，如下图所示。
在这个案例中，最大最小公平算法是由于所有资源全部分配完才终止的。至此，对于需求量为（10，25，35，45）的用户们来说，分配到的资源是（10，25，32.5，32.5）。这个算法的另外一个结束条件是，资源分配满足了所有用户的资源需求，即当没有用户有资源需求时，算法也会终止。
主导资源公平算法。
最大最小公平算法采用了绝对公平的方式分配资源，会导致大量的资源浪费，比如用户需求量为 35 和 45 的用户 A 和用户 D，均分配了 32.5 的空闲资源，但由于资源不满足需求，这两个用户均无法使用。
而主导资源公平算法在考虑用户公平性的前提下，还考虑了用户对不同资源类型的需求，以尽可能地合理分配资源。同样的资源量，主导资源公平算法可以尽可能地满足更多的用户。
在 Mesos 中，框架对资源的需求包括对 CPU、内存等多种类型资源的需求。针对多种资源的需求，主导资源公平算法首先计算已经分配给用户的每一种资源的占用率（Resource Share），比如已经分配的 CPU 占总资源量的多少，已经分配的内存占总资源量的多少。所有资源占用率中的最大值称作该用户的主导资源占用率，而主导资源占用率对应的资源就是用户的主导资源。
假设系统中的资源共包括 18 个 CPU 和 36 GB 内存，有两个 Framework（Framework A 和 Framework B）分别运行了两种任务，假设 Framework A 运行内存密集型任务，Framework B 运行 CPU 密集型任务，且每个任务所需要的资源量是一致的，分别是 <2 CPU, 8 GB> 和 <6 CPU, 2 GB>。
第一步：计算资源分配量。
假设 x 和 y 分别是 Framework A 和 Framework B 分配的任务数，那么 Framework A 消耗的资源为{2x CPU，8x GB}，Framework B 消耗的资源数为{6y CPU，2y GB}，分配给两个 Framework 的总资源量为（2x+6y）个 CPU 和（8x+2y）GB 内存。
第二步：确定主导资源。
对于 Framework A 来说，每个任务要消耗总 CPU 资源的 2/18，总内存资源的 8/36，所以 Framework A 的主导资源为内存；对于 Framework B 来说，每个任务要消耗总 CPU 资源的 6/18 和总内存资源的 2/36，因而 Framework B 的主导资源为 CPU。
第三步：DRF 算法的核心是平衡所有用户的主导资源占用率，尽可能试图最大化所有用户中最小的主导资源占用率。通过求解下列公式，可以计算出 Framework A 和 Framework B 分配的任务数，并且要在满足公式的条件下，使得 x 和 y 越大越好。
2x+6y≤18
8x+2y≤36
8x/36=6y/18
通过求解可以得出：x=3，即 Framework A 可以运行 3 个任务；y=2，即 Framework B 可以运行 2 个任务。这样分配的话，每个 Framework 获取了相同比例的主导资源，即：A 获取了 2/3 的内存，B 获取了 2/3 的 CPU，从而在主导资源上体现了调度算法的公平性。
在实际任务分配过程中，主导资源率是根据已经分配给 Framework 的资源，占集群中总资源量的多少进行计算的，并且在每次分配过程中，会选择主导资源最小的 Framework 进行分配，也就是试图最大化所有用户中最小的主导资源占用率。
对比这两种调度算法
最大最小公平算法适用于单一类型的资源分配场景，而主导资源公平算法适用于多种类型资源混合的场景。并且，最大最小公平算法从公平的角度出发，为每个用户分配不多于需求量的资源；而主导资源公平算法从任务出发，目的在于尽量充分利用资源使得能够执行的任务越多越好。
知识扩展：两层调度如何保证不同的业务不会互相干扰？
当多个业务运行在同一台机器上，共同使用 CPU、内存，以及系统环境时会存在相互干扰。
隔离不同的业务资源和环境，就不会相互干扰了。就好比接触的虚拟机一样，在同样的服务器上安装多个虚拟机，不同的用户在不同的虚拟机上运行，这些用户互不干扰。在 Mesos 中，实现这种资源隔离的是容器。
容器的实质是进程，该进程运行于属于自己的独立的命名空间，可以拥有自己的 root 文件系统、自己的网络配置、自己的进程空间，甚至是自己的用户 ID 空间。Mesos 支持的容器，包括 Linux 自带的 cgroups 和 Docker。
所以说，Mesos 正是用容器隔离开了不同的业务，使得它们运行时不会互相干扰。
总结
两层调度是一种资源和任务分开调度的设计，一层调度器只负责资源的管理和分配，另外一层调度器负责任务与资源的匹配。
在 Mesos 中，第一层资源调度由 Mesos 提供，第二层任务调度由框架提供，Mesos 将资源以 Resource Offer 的形式发放给框架调度器，框架调度器根据任务需求和得到的资源信息进行任务匹配调度，为此提高了调度的并发性。
第一层的调度算法，通常有最大最小公平算法和主导资源公平算法等。
两层调度的一个问题是，由于第二层调度只能获得部分资源视图，因此无法实现全局最优调度。
两层调度提供了多租户多框架的支持，如果业务类型比较多或者面向的是不同的租户的话，建议采用两层调度框架。