hadoop QJM高可用原理

HDFS的高可用性

联邦hdfs

由于namenode在内存中维护系统中的文件和数据块的映射信息，所以对于一个海量文件的集群来说，内存将成为系统横向扩展瓶颈。Hadoop在2.x的版本引入了联邦HDFS（HDFS Federation），通过在集群中添加namenode实现。

Federation的架构：

 

 原理

1、每个namenode相互独立，单独维护一个由namespace元数据和数据块池（block pool）组成的命名空间卷（namespace volume）——图中的NS-x。

2、数据块池包含该命名空间下文件的所有数据块。命名空间卷相互独立，两两间互不通信，即使一个namenode挂掉，也不会影响其他namenode

3、datanode被用作通用的数据存储设备，每个datanode要向集群中所有的namenode注册，且周期性的向所有namenode发送心跳和报告，并执行来自所有namenode的命令

4、当一个namespace被删除后，所有datanode上与其对应的block pool也会被删除。当集群升级时，每个namespacevolume作为一个基本单元进行升级。

联邦hdfs的缺点

虽然引入了多个namenode管理多份namespace，但是对于单个namenode，依然存在单点故障问题（Single point of failure），如果某个namenode挂掉了，那么所有客户端都无法操作文件。

联邦hdfs仍然需要引入secondary namenode。直到secondary namenode满足以下所有条件时，才能提供服务：

1、将命名空间镜像导入内存

2、重演编辑日志

3、接收到足够的来自datanode的块映射报告并退出安全模式。

 

利用NAS实现HA

保障集群的可用性，可以使用NAS共享存储。主备namenode之间通过NAS进行元数据同步。但是有一下缺陷：

1、硬件设备必须支持NAS

2、部署复杂，部署完namenode还需要在NFS挂载、解决NFS的单点及脑裂，容易出错

3、无法实现同一时间只能有一个namenode写数据

QJM高可用

Hadoop2针对以上问题增加了QJM（Quorum Journal Manager），由多个JN组成，一般配置为奇数个。QJM中有一对active-standby的namenode。当active namenode失效时，standby namenode会接管它继续提供服务。

工作原理如下：

 

 

 1、namenode之间通过一组 journal node 共享编辑日志，standby namenode接管后，需要读取整个编辑日志来与active namenode同步状态，并继续读取active namenode写入的新操作。

2、datanode需要同时向这组active-standby namenode发送数据块处理报告，因为数据块的映射信息保存在namenode的内存中。

3、客户端使用ZKFC（zookeeper failover-controller）来处理namenode失效问题，该进程运行在每个namenode上，通过heartbeat监测active namenode是否失效

4、secondary namenode的角色被standby namenode取代，由standby namenode为active namenode设置check point

5、QJM的实现没有使用zookeeper。但是在HA选举active namenode时，使用了zookeeper。

6、在某些特殊情况下（如网速慢），可能发生故障转移，这时有肯能两个namenode都是active namenode——脑裂。QJM通过fencing（规避）来避免这种现象。

NameNode 的主备选举机制

Namenode(包括 YARN ResourceManager) 的主备选举是通过 ActiveStandbyElector 来完成的，ActiveStandbyElector 主要是利用了 Zookeeper 的写一致性、 临时节点和观察者机制

主备选举实现如下

1、  创建锁节点： 如果 ZKFC 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，那么相应的会发起一次主备选举，尝试在 Zookeeper 上创建一个路径为/hadoopha/${dfs.nameservices}/ActiveStandbyElectorLock 的临时结点， Zookeeper 的写一致性会保证最终只会有一次结点创建成功，那么创建成功的 NameNode 就会成为主 NameNode， 进而切换为 Active 状态。而创建失败的 NameNode 则切换为 Standby 状态。

 

2、  注册 Watcher 监听： 不管创建/hadoop-ha/${dfs.nameservices}/ActiveStandbyElectorLock 节点是否成功， ZKFC 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、  自动触发主备选举： 如果 Active NameNode 状态异常时， ZKFailoverController 会主动删除临时结点/hadoop-ha/${dfs.nameservices}/ActiveStandbyElectorLock，这样处于 Standby 状态的NameNode 会收到这个结点的 NodeDeleted 事件。收到这个事件之后，会马上再次进入到建/hadoopha/${dfs.nameservices}/ActiveStandbyElectorLock 结点的流程，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。

 

4、  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。

Namenode 脑裂

脑裂的原因

　　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 ZKFC 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。

规避脑裂

Hadoop 的 fencing 机制防止脑裂： 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。 ZKFC 为了实现 fencing，会在成功创建 Zookeeper临时结点 hadoop-ha/${dfs.nameservices}/ActiveStandbyElectorLock 从而成为 ActiveNameNode 之后，创建另外一个路径为/hadoop-ha/${dfs.nameservices}/ActiveBreadCrumb 的持久节点，这个节点里面也保存了 Active NameNode 的地址信息。 正常关闭 Active NameNode时， ActiveStandbyElectorLock 临时结点会自动删除，同时， ZKFC 会删除 ActiveBreadCrumb结点。但是如果在异常的状态下 Zookeeper Session 关闭 (比如前述的 Zookeeper 假死)，那么由于 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，从而会对旧的 ActiveNameNode 进行 fencing

Hadoop 的两种 fencing 机制：

1) sshfence：通过 SSH 登录到目标机器上，执行命令将对应的进程杀死；

2) 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。

NameNode 共享存储实现

基于 QJM 的共享存储系统的总体架构： 基于 QJM 的共享存储系统主要用于保存EditLog，并不保存 FSImage 文件。 FSImage 文件还是在 NameNode 的本地磁盘上。

QJM共享存储的基本思想来自于 Paxos 算法，采用多个称为 JournalNode 的节点组成的JournalNode 集群来存储 EditLog。每个 JournalNode 保存同样的 EditLog 副本。

每次NameNode 写 EditLog 的时候，除了向本地磁盘写入 EditLog 之外，也会并行地向JournalNode 集群之中的每一个 JournalNode 发送写请求，只要大多数 (majority) 的

JournalNode 节点返回成功就认为向 JournalNode 集群写入 EditLog 成功。如果有 N 台JournalNode，那么根据大多数的原则，最多可以容忍有 (N-1)/2 台 JournalNode 节点挂掉。 基于 QJM 的共享存储系统的数据同步机制： Active NameNode 和 StandbyNameNode 使用JouranlNode 集群来进行数据同步的过程如图所示， Active NameNode 首先把 EditLog 提交到 JournalNode 集群，然后 Standby NameNode 再从 JournalNode 集群定时同步 EditLog

 

 

1) Active NameNode 提交 EditLog 到 JournalNode 集群的过程实际上是同步阻塞的，但是并不需要所有的 JournalNode 都调用成功，只要大多数 JournalNode 调用成功就可以了。如果无法形成大多数，那么就认为提交 EditLog 失败， NameNode 停止服务退出进程。

2) 当 NameNode 进入 Standby 状态之后，会启动一个线程， 定期从 JournalNode 集群上同步 EditLog，然后把同步的 EditLog 回放到内存之中的文件系统镜像上 (并不会同时把EditLog 写入到本地磁盘上)。