HDFS中ZKFailoverController的原理探究

自动化failover的引入

HDFS中自动化的failover故障转移需要增加两个新的组件：一个是Zookeeper quorum（仲裁），另一个是ZKFailoverController进程（简称ZKFC）。

Apache Zookeeper是一个高可用的服务，对于小规模数据协调，通知客户端数据变化，监控客户端失败。自动failover的实现是基于ZK以下的作用：

Failure detection
集群中的每个NameNode机器在ZK上保持持久化会话。如果机器崩溃，ZK会话过期，通知其它NameNode有一个failover将被触发。
Active NameNode election
ZK提供一个简单机制，选举出唯一的一个节点作为active。如果当前的active NameNode崩溃，另一个节点可能在ZK持有特定的互斥型锁，表名它将成为下一个active。

ZKFC是一个ZK客户端，也监控和管理NameNode的状态。NameNode运行的所在的每个机器也要运行一个ZKFC。

ZKFC负责：

健康监测
ZKFC定期使用健康检查命令调用其本地NameNode。只要NameNode以健康的状态及时响应，ZKFC就会认为节点是健康的。
如果节点已崩溃、冻结或以其他方式进入不健康状态，则健康监视器将将其标记为不健康。
ZooKeeper会话管理
当本地NameNode健康时，ZKFC在ZooKeeper中举行一个开放的会话。
如果本地NameNode是活动的，它也持有一个特殊的“锁”。此锁使用ZooKeeptor对“临时”节点的支持；如果会话过期，则将自动删除锁节点。
基于ZooKeeper的选举
如果本地NameNode是健康的，而ZKFC认为目前没有其他节点持有锁，
它本身就会尝试获取锁。如果它成功了，那么它已经“赢得了选举”，并负责运行故障转移以使其本地NameNode活动。故障转移过程类似于上面描述的手动故障转移：首先，如果需要，对前一个活动进行隔离，然后本地NameNode转换到活动状态。

问题：

一般导致NameNode切换的原因
ZKFC的作用是什么？如何判断一个NN是否健康
NameNode HA是如何实现的？
NameNode因为断电导致不能切换的原理，怎样进行恢复

一般导致NameNode切换的原因

随着集群规模的变大和任务量变多，NameNode的压力会越来越大，一些默认参数已经不能满足集群的日常需求，除此之外，异常的Job在短时间内创建和删除大量文件，引起NN节点频繁更新内存的数据结构从而导致RPC的处理时间变长，CallQueue里面的RpcCall堆积，甚至严重的情况下打满CallQueue，导致NameNode响应变慢，甚至无响应，ZKFC的HealthMonitor监控自己的NN异常时，则会断开与ZooKeeper的链接，从而释放锁，另外一个NN上的ZKFC进行抢锁进行Standby到Active状态的切换。这是一般引起的切换的流程。

当然，如果你是手动去切换这也是可以的，当Active主机出现异常时，有时候则需要在必要的时间内进行切换。

ZKFC的作用是什么？如何判断一个NN是否健康

在正常的情况下，ZKFC的HealthMonitor主要是监控NameNode主机上的磁盘还是否可用（空间），我们都知道，NameNode负责维护集群上的元数据信息，当磁盘不可用的时候，NN就该进行切换了。

 /**
   * Return true if disk space is available on at least one of the configured
   * redundant volumes, and all of the configured required volumes.
   * 
   * @return True if the configured amount of disk space is available on at
   *         least one redundant volume and all of the required volumes, false
   *         otherwise.
   */
  public boolean hasAvailableDiskSpace() {
    return NameNodeResourcePolicy.areResourcesAvailable(volumes.values(),
        minimumRedundantVolumes);
  }

除了可用状态（SERVICE_HEALTHY）之外，还有SERVICE_UNHEALTHY(磁盘空间不可用)，SERVICE_NOT_RESPONDING（其他的一些情况）状态，在这两个状态中，它都认为NN是不健康的。

NameNode HA是如何实现的？

我们前面说到，ZKFC是如何判断NN是否健康，接下来当NN处于非健康状态时，NameNode是如何进行切换的呢？

image

在ZKFailoverController这个类中，实行了两个重要的Callbacks函数，一个叫ElectorCallbacks，另一个叫HealthCallbacks，顾名思义就是选举和健康检查用的回调函数，其中还有两个重要的组成部分elector（ActiveStandbyElector），healthMonitor（HealthMonitor），总体的就如上图所示。

ElectorCallbacks:

/**
   * Callbacks from elector
   */
  class ElectorCallbacks implements ActiveStandbyElectorCallback {
    @Override
    public void becomeActive() throws ServiceFailedException {
      ZKFailoverController.this.becomeActive();
    }

    @Override
    public void becomeStandby() {
      ZKFailoverController.this.becomeStandby();
    }
...
}

HealthCallbacks:

 /**
   * Callbacks from HealthMonitor
   */
  class HealthCallbacks implements HealthMonitor.Callback {
    @Override
    public void enteredState(HealthMonitor.State newState) {
      setLastHealthState(newState);
      recheckElectability();
    }
  }

对于HealthMonitor来说，在ZKFC进程启动的时候，就已经将HealthCallbacks注册进去了，HealthMonitor都会定期的检查NameNode是否健康，我们可以通过监控ha.health-monitor.check-interval.ms去设置监控的间隔时间和通过参数ha.health-monitor.rpc-timeout.ms设置timeout时间，当集群变大的时候，需要适当的设置改值，让ZKFC的HealthMonitor没那么“敏感”。

ZKFC通过RPC调用监控NN进程，当出现异常时，则进入不同的处理逻辑，以下是简化的代码：

 private void doHealthChecks() throws InterruptedException {
    while (shouldRun) {     
      try {
        status = proxy.getServiceStatus();
        proxy.monitorHealth();
        healthy = true;
      } catch (HealthCheckFailedException e) {
       ...
        enterState(State.SERVICE_UNHEALTHY);
      } catch (Throwable t) {
       ...
        enterState(State.SERVICE_NOT_RESPONDING);
        Thread.sleep(sleepAfterDisconnectMillis);
        return;
      }
      ...
}

回调函数就是这么起作用啦，那么回调函数做了什么呢？总的来说，如果NN健康（SERVICE_HEALTHY）就加入选举，如果不健康就退出选举（SERVICE_UNHEALTHY，SERVICE_NOT_RESPONDING）

 case SERVICE_UNHEALTHY:
        case SERVICE_NOT_RESPONDING:
          LOG.info("Quitting master election for " + localTarget +
              " and marking that fencing is necessary");
          elector.quitElection(true);
          break;

说到退出选举就关系到elector（ActiveStandbyElector）了，true代表如果NN从Actice变为Standby出现异常是要去fence的，这就是为啥NN会挂掉的原因之一

如何退出选举？就是close zkClient的链接，让ZooKeeper上面的维持的选举锁消失

void terminateConnection() {
    if (zkClient == null) {
      return;
    }
    LOG.debug("Terminating ZK connection for " + this);
    ZooKeeper tempZk = zkClient;
    ...
    try {
      tempZk.close();
    } catch(InterruptedException e) {
      LOG.warn(e);
    }
   ...
  }

对于ActiveStandbyElector来说，他有个WatcherWithClientRef类专门用来监听ZooKeeper上的的znode的事件变化，当事件变化时，就会调用ActiveStandbyElector的processWatchEvent的方法

watcher = new WatcherWithClientRef();
ZooKeeper zk = new ZooKeeper(zkHostPort, zkSessionTimeout, watcher);

和

/**
   * Watcher implementation which keeps a reference around to the
   * original ZK connection, and passes it back along with any
   * events.
   */
  private final class WatcherWithClientRef implements Watcher {
...
    @Override
        public void process(WatchedEvent event) {
          hasReceivedEvent.countDown();
          try {
            hasSetZooKeeper.await(zkSessionTimeout, TimeUnit.MILLISECONDS);
            ActiveStandbyElector.this.processWatchEvent(
                zk, event);
          } catch (Throwable t) {
            fatalError(
                "Failed to process watcher event " + event + ": " +
                StringUtils.stringifyException(t));
          }
        }
...
}

在ActiveStandbyElector的processWatchEvent方法中，处理来自不同事件的逻辑，重新加入选举或者继续监控znode的变化，当另外一个ZKFC监控到事件变化得时候，就去抢锁，抢锁实质上就是创建znode的过程，而且创建的是CreateMode.EPHEMERAL类型的，所以，当HealthMonitor监控到NN不健康时，就会断开连接，节点就会消失，watcher就会监控到NodeDeleted事件，进行创建节点。

 switch (eventType) {
      case NodeDeleted:
        if (state == State.ACTIVE) {
          enterNeutralMode();
        }
        joinElectionInternal();
        break;
      case NodeDataChanged:
        monitorActiveStatus();
        break;

又因为ActiveStandbyElector实现了StatCallback接口，当节点创建成功时，就会回调processResult方法看是否创建成功，如果创建成功则去检查zkBreadCrumbPath是否存在之前的Active节点，如果存在，则调用RPC让其变为Standby，看能否转变成功，否则则SSH过去fence掉NN进程。，保持Active节点只有一个，并且恢复正常服务

NameNode因为断电导致不能切换的原理，怎样进行恢复

ActiveNN断电，网络异常，负载过高或者机器出现异常无法连接，Standby NN无法转化为Active，使得HA集群无法对外服务,原因是Active NN节点在断电和不能服务的情况下，zknode上保存着ActiveBreadCrumb， ActiveStandbyElectorLock两个Active NN的信息，ActiveStandbyElectorLock由于Active NN出现异常断开，Standby NN去抢锁的时候就会去检查ActiveBreadCrumb是否有上一次的Active NN节点，如果有，就会就会尝试让Active NN变为Standby NN，自己转化为Active NN，但是由于调用出现异常，所以会采用ssh的方式去Fence之前的Active NN，因为机器始终连接不上，所以无法确保old active NN变为Standby NN，自己也无法变为Active NN，所以还是保持Standby状态，避免出现脑裂问题。

解决方案是确定Active关机的情况下重新hdfs zkfc -formatZK就可以了。

总结

NN GC或者在压力大的情况下可以调整GC算法和增加NameNode节点的线程数，加快NN对请求的处理速度，也可以分离节点的端口dfs.namenode.rpc-address.ns1.nn2和dfs.namenode.servicerpc-address.ns1.nn2分离client和datanode节点等服务类型的请求，进行分担压力，也可以适当的调整ZKFC的监控timeout的时间等等

转载自：初始ZKFC的原理

HDFS中ZKFailoverController的原理探究

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