大数据系列3：Hdfs的HA实现

在之前的文章：大数据系列：一文初识Hdfs ，
大数据系列2：Hdfs的读写操作中Hdfs的组成、读写有简单的介绍。

在里面介绍Secondary NameNode和Hdfs读写的流程。
并且在文章结尾也说了，Secondary NameNode并不是我常说的HA，（High Availability）。

本文承接之前的内容，对Hdfs的HA实现做个简单的介绍。

NameNode的重要性

先来看看Hdfs读写的流程图：

可以看到无论是读还是写，我们都必须和存储元数据的NameNode进行交互。

一旦NameNode出问题，整个集群的读写基本上就凉凉了。

所以，在设计的时候本就有做一些容错的措施。

容错的措施

如果NameNode出了问题，整个文件Hdfs将不可用。

设想一个场景：
如果以为某种原因我们运行NameNode的机器被删除。

此时所有Hdfs的文件都会丢失，因为我们虽然在DataNode中存储了文件的Block信息，但是我们无法通过这些Block重新构建文件。

所以让NameNode有一定抗拒错误的能力是很重要的。

而Hadoop本身提供了两种机制。

备份元数据

第一种机制：
将Hdfs元数据中持久化状态的文件做多个备份。

Hadoop 可以进行相关的配置，把这些持久的状态备份到多个文件系统。这个过程是同步且原子的。
一般都是配置为本份到本地磁盘，同时远程NFS 挂载

Secondary NameNode

第二种机制：
运行一个Secondary NameNode，负责定期合并名称namespace iamge和edit log，以防止edit log变得过大。

合并流程如下，详细过程之前有介绍过，此处不累赘：

存在问题

虽然有两个方式让Hdfs有一定的容错能力，但是还是存在一些问题。

Secondary NameNode拥有一个合并的namespace iamge像的副本，在NameNode失败时可以使用该iamge。

但是Secondary NameNode中的状态是滞后于NameNode的，如果NameNode是宕机的情况下，数据丢失必不可少。

此时通常的做法是将NFS上的NameNode元数据文件复制到Secondary NameNode，并将其作为新的NameNode运行。

因为NFS中的与NameNode的元数据是同步的，所以可以通过NFS中的数据恢复。

在多个文件系统上复制NameNode元数据和使用Secondary NameNode创建checkpoints的组合可以防止数据丢失。

然而这种组合的机制并不能提供Hdfs的高可用性。

主要原因是这种方式恢复太耗时间了。

NameNode是唯一的存储了文件与Blcok映射关系的元数据存储库
，一旦它罢工，所有的Client的作业包括Mapreduce、读、写、列出文件无法进行。
在新的NameNode上线之前，整个集群处于停止服务的状态

如果NameNode要重新上线服务需要经过以下下的步骤：

加载命名空间到内存
重放edit log
从DataNode接收足够的Block报告并离开安全模式。

在具有许多文件和Block的大型集群上，NameNode的冷启动所需的时间可能是30分钟或更长。

这么拉垮可不太能接受，无论是日常运维还是计划停机之类的操作。

所以，归根结底就是NameNode仍然是存在单点故障(SPOF，Single Point Of Failure)

下面就看看怎么解决这个问题。

HDFS high availability (HA)

一般情况下会有两个场景和HA息息相关。

在出现计划外事件(如服务器宕机)的情况下，在重新启动NameNode之前，集群将不可用。
有计划的维护事件，例如NameNode机器上的软件或硬件升级，将导致集群停机。

为了解决上述的问题，Hadoop 提供了HDFS high availability (HA)的支持。

通过active-standby的方式配置两个NameNode（3.0后可以支持超过两个），在Active/Passive动配置中使用热备份。

在机器崩溃的情况下，实现快速故障转移到新的NameNode，
或者出于计划维护的目的，允许管理员发起优雅的故障转移。

为了实现这个目标，在架构层面需要做一些改变：

NameNode间必须要通过一些高可用的共享内存共享edit log，一旦standby NameNode接管工作的时候，它通过读取共享edit log 直至结尾以保持它的状态与active NameNode一致，然后继续读取由active NameNode写入的新条目。
DataNodes必须向两个NameNode发送Block报告，因为NameNode映射关系是存储在DataNode的内存而不是磁盘。
客户端必须使用一种机制来处理NameNode失效问题，让用户对于NameNode的切换是透明的。（就是不需要用户自己去切换NameNode）
standby NameNode应该承担之前Secondary NameNode的角色，定期为active NameNode 的命名空间创建检查点。

在典型的HA集群中，会配置两个或更多的NameNodes，但是在任何时候，都只能有一个NameNode处于活动状态，其他NameNode处于备用状态。
Active状态的NameNode负责集群中的所有Client的操作，
Standby状态的NameNode仅需要保存足够的状态的即可。

有两种实现方式

Quorum Journal Manager (QJM)

QJM是一个专用的HDFS实现，设计的唯一目的是提供高度可用的编辑日志，并且是大多数HDFS安装的推荐选择。

QJM作为一组journalnodes(JNs)独立守护进程运行，每次编辑都必须写入大部分JNs节点。

为了使备节点与主节点保持状态同步，两个节点都与JNs进程通信。

Active NameNode执行任何关于名称空间修改时，它会持久地记录修改记录到大部分的JNs。

通常，有三个journal节点，因此系统可以容忍其中一个节点的丢失。
尽管这种方式类似ZooKeeper工作方式，但是必须说明的是QJM实现没有使用ZooKeeper
同时还要注意，HDFS的HA确实使用了ZooKeeper来选择active NameNode，后续会介绍

standby NameNode能够从JNs中读取edits ，并不断监视它们对edit log的修改。

当standby NameNode````看到这edits时，它将它们应用到自己的名称空间。

standby NameNode必须持有集群中NameNode位置的最新信息。
所以，DataNodes需要配置所有NameNode的位置，并向所有NameNode发送Block 位置信息和心跳。

因为standby NameNode 在内存中有最新的状态:最新的edit log和最新的NameNode映射
所以Active NameNode发生故障时，standby NameNode可以很快接管(在几十秒内)。

实际观察到的故障转移时间要长一些(大约一分钟左右)，因为系统需要保守地判断active NameNode是否发生了故障。

NFS

与QJM方共享不同，edit log记录到JNs不同，

此处的共享内存一般使用过一个支持NFS(Network File System：网络文件系统)的NAS(Network Attached Storage：网络附属存储)创建应共享文件，通常会挂载在每隔一个NameNode的机器上，NameNode可以对其进行读、写操作。

但是，目前只支持一个共享edit目录。
因此，系统的可用性受到共享edit目录的可用性的限制，
为了消除所有单点故障，共享编辑目录需要有冗余。

具体来说，就是到存储的多条网络路径，以及存储本身的冗余(磁盘、网络和电源)。
所以，建议使用高质量的专用NAS设备作为共享存储服务器，而不是简单的Linux服务器。

故障转移和规避

在HA集群中，standby NameNode还执行名称空间状态检查点操作，
因此在HA集群中没有必要运行 Secondary NameNode, CheckpointNode, or BackupNode。

同时无论是QJM还是NFS中，
在同一时刻只有一个NameNode处于Active是至关重要的。
否则，名称空间状态将很快在两者之间出现分歧（脑裂），可能导致数据丢失或其他不正确的结果。
为了避免这个情况，同一时间只允许一个NameNode 对 JournalNodes 或 NFS的共享内存写入。

在故障转移期间，即将成为Active状态的NameNode将接管向共享eidt文件写入数据的角色，
这将有效地阻止其他NameNode继续处于Active状态，从而允许新的Active状态安全地进行故障转移。

但是要如何实现呢？

故障转移

从active NameNode到standby NameNode```` 的过渡由系统中称为故障转移控制器(failover controller)的新实体进行管理。

可以理解为active NameNode挂了standby NameNode上位的过程

有各种各样的故障转移控制器，但是默认的实现是使用ZooKeeper来确保只有一个NameNode是active的。

每个NameNode运行一个轻量级的故障转移控制器进程，
它的任务是监视它的NameNode是否出现故障(使用一个简单的心跳机制)，
并在NameNode出现故障时触发故障转移。

故障转移也可以由管理员手动启动，
例如，在例行维护的情况下。
这被称为优雅的故障转移( graceful failover)，因为故障转移控制器为两个NameNode安排了有序的角色转换。

但是，
在意料之外的故障转移的情况下，不可能确保失败的NameNode已经停止运行。

例如，网络或网络分区速度较慢的情况下，
即使以前active NameNode仍然在运行
也可能会触发故障转移。

为了避免这种情况，HA实现了确保以前active NameNode不会造成任不良影响的方法称为规避(fencing)。

规避

JNs一次只允许一个NameNode写入编辑日志;
但是，以前活跃的NameNode仍然可能向客户端提供过时的读请求，
因此可以设置一个SSH 规避命令来杀死NameNode进程。

对于使用NFS文件的共享edit log，因为很难控制一次只允许一个NameNode写入，
需要更强有力地规避方法，一般可以选择如下方法：

撤销NameNode对共享存储目录的访问(通常使用特定于供应商的NFS命令)
通过远程管理命令屏蔽相应网络端口(port)
做绝一点可以通过一个叫做“一枪爆头”方式进行规避(STONITH,short the other node in the head)，通过一个特定的供电单元对相应的NameNode进行断电操作。

这就是推荐使用QJM的主要原因。

有了上述只是储备，我们很容易就可以把这个架构图画出来，以QJM为例

那么转移过程大致如下:

客户端故障转移

对于客户端而言，我们要让用户对于故障转移是无感的。
可以通过配置文件实现一个故障转移

在配置文件中通过配置几个参数实现故障转移：

dfs.nameservices：Hdfs逻辑名称

<property>
  <name>dfs.nameservices</name>
  <value>mycluster</value>
</property>

dfs.ha.NameNodes.[nameservice ID]:nameservice中每个NameNode的唯一标识符

<property>
  <name>dfs.ha.NameNodes.mycluster</name>
  <value>nn1,nn2, nn3</value>
</property>

dfs.NameNode.rpc-address.[nameservice ID].[name node ID]:每个NameNode监听的完全限定RPC地址

<property>
  <name>dfs.NameNode.rpc-address.mycluster.nn1</name>
  <value>machine1.example.com:8020</value>
</property>
<property>
  <name>dfs.NameNode.rpc-address.mycluster.nn2</name>
  <value>machine2.example.com:8020</value>
</property>
<property>
  <name>dfs.NameNode.rpc-address.mycluster.nn3</name>
  <value>machine3.example.com:8020</value>
</property>

更多的配置可以查看
NameNode HA With QJM
NameNode HA With NFS

关于HA暂时介绍到这里，后续有空再进行详细的介绍。
之后会写一下关于Yarn的文章，感兴趣可以关注【兔八哥杂谈】

posted @ 2021-01-27 18:44 lillcol 阅读(680) 评论(0) 编辑收藏举报

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