Hadoop之HDFS的HA与QJM-创新互联

本文主要介绍HDFS HA特性,以及如何使用QJM(Quorum Journal Manager)特性实现HDFS HA。

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    一、背景

    HDFS集群中只有一个Namenode,这就会引入单点问题;即如果Namenode故障,那么这个集群将不可用,直到Namenode重启或者其他Namenode接入。

    有两种方式会影响集群的整体可用性:

    1、意外的突发事件,比如物理机器crash,集群将不可用,直到管理员重启Namenode。

    2、系统维护,比如软件升级等,需要关闭Namenode,也会导致集群暂时性的失效。

    HDFS HA特性即解决这个问题,它通过在集群中同时运行2个(redundant)Namenodes,并让active和passive之间热备(hot standby)。当Active Namenode故障失效后,即可快速故障转移到新的Namenode上(passive Namenode);也可以在计划维护期间,基于管理员发起(administrator-inited)的友好的failover。

    二、Architecture

    在典型的HA架构中,有两个独立的机器作为Namenode,任何时刻,只有一个Namenode处于Active状态,另一个处于standby状态(passive,备份);Active Namenode用于接收Client端请求,Standy节点作为slave保持集群的状态数据以备快速failover。

    为了让Standby Node与Active Node保持同步,这两个Node都与一组称为JNS的互相独立的进程保持通信(Journal Nodes)。当Active Node上更新了namespace,它将记录修改日志发送给JNS的多数派。            Standby noes将会从JNS中读取这些edits,并持续关注它们对日志的变更。Standby Node将日志变更应用在自己的namespace中,当failover发生时,Standby将会在提升自己为Active之前,确保能够从JNS中读取所有的edits;即在failover发生之前,Standy持有的namespace应该与Active保持完全同步。

为了支持快速failover,Standby node持有集群中blocks的最新位置是非常必要的。为了达到这一目的,Datanodes上需要同时配置这两个Namenode的地址,同时和它们都建立心跳链接,并把block位置发送给它们。

    任何时刻,只有一个Active Namenode是非常重要的,否则将会导致集群操作的混乱,那么两个Namenode将会分别有两种不同的数据状态,可能会导致数据丢失,或者状态异常,这种情况通常称为“split-brain”(脑裂,三节点通讯阻断,即集群中不同的Datanodes却看到了两个Active Namenodes)。对于JNS(Journal Nodes)而言,任何时候只允许一个Namenode作为writer;在failover期间,原来的Standby Node将会接管Active的所有职能,并负责向JNS写入日志记录,这就阻止了其他Namenode基于处于Active状态的问题。

    三、硬件资源

    为了构建HA集群架构,你需要准备如下资源:

    1、Namenode机器:两台配置对等的物理机器,它们分别运行Active和Standby Node。

    2、JouralNode机器:运行JouralNodes的机器。JouralNode守护进程相当的轻量级,它们可以和hadoop的其他进程部署在一起,比如Namenodes、jobTracker、ResourceManager等。不过为了形成多数派(majority),至少需要3个JouralNodes,因为edits操作必须在多数派上写入成功。当然JNS的个数可以 > 3,且通常为奇数(3,5,7),这样可以更好的容错和形成多数派。如果你运行了N个JNS,那么它可以允许(N-1)/2个JNS进程失效并且不影响工作。

    此外,在HA集群中,standby namenode还会对namespace进行checkpoint操作(继承Backup Namenode的特性),因此,就不需要在HA集群中运行SecondaryNamenode、CheckpointNode或者BackupNode。事实上,HA架构中运行上述节点,将会出错(不允许)。

    四、部署

    一)  、配置

    和HDFS Federation类似,HA配置向后兼容,运行只有一个Namenode运行而无需做任何修改。新的配置中,要求集群中所有的Nodes都有相同的配置文件,而不是根据不同的Node设定不同的配置文件。

和HDFS Federation一样,HA集群重用了“nameservice ID”来标识一个HDFS 实例(事实上它可能包含多个HA Namenods);此外,“NameNode ID”概念被添加到HA中,集群中每个Namenode都有一个不同的ID;为了能够让一个配置文件支持所有的Namenodes(适用与Federation环境),那么相关的配置参数都以“nameservice ID”或“Namenode ID”作为后缀。

    修改hdfs-site.xml,增加如下几个配置参数,其参数的顺序无关。

    1、dfs.nameservices:nameservice的逻辑名称。可以为任意可读字符串;如果在Federation中使用,那么还应该包含其他的nameservices,以","分割。


 dfs.nameservices
 hadoop-ha,hadoop-federation

    2、dfs.ha.namenodes.  [nameservice ID] :


 dfs.ha.namenodes.hadoop-ha
 nn1,nn2

    其中“hadoop-ha”需要和1)中配置的nameservice ID匹配,此处我们定义“hadoop-ha”下有2个namenode ID。

    3、dfs.namenode.rpc-address.  [nameservice ID] .  [namenode ID]


 dfs.namenode.rpc-address.hadoop-ha.nn1
 machine1.example.com:8020
 dfs.namenode.rpc-address.hadoop-ha.nn2
 machine2.example.com:8020

    其中nameservice ID需要和1)匹配,namenode ID需要和2) 匹配。配置项的值为相应namenode的hostname以及通讯端口号(Client与namenode RPC通讯端口),它和non-ha模式下“dfs.namenode.rpc-address”作用一样。每个namenode ID都需要单独配置。

    你可以根据需要,配置“dfs.namenode.servicerpc-address”,格式和上述一致。(SNN,backup节点与Namenode通讯地址)

    4、dfs.namenode.http-address.[nameservice ID].[namenode ID]


 dfs.namenode.http-address.hadoop-ha.nn1
 machine1.example.com:50070
 dfs.namenode.http-address.hadoop-ha.nn2
 machine2.example.com:50070

    各个namenode的HTTP地址。它和non-ha下的"dfs.namenode.http-address"配置作用一样。

    5、dfs.namenode.shared.edits.dir:


 dfs.namenode.shared.edits.dir
 qjournal://node1.example.com:8485;node2.example.com:8485;node3.example.com:8485/hadoop-ha

    配置JNS组的url地址,Namenodes将会从JNS组中读写edits。这是一个共享存储区,Active Namenode写入,Standby Node读取,每个Namenodeservice必须配置足够多的JNS地址(>=3,多数派),每条的格式为:“qjournal://host1:port1;host2:port2;host3:port3/journalId”

    其中journalId需要和上述配置中的“nameserviceID”匹配。


 dfs.journalnode.rpc-address
 0.0.0.0:8485
 dfs.journalnode.http-address
 0.0.0.0:8480

    此外,我们还需要在相应的JournalNodes上增加上述配置。

    6、dfs.client.failover.proxy.provider.  [nameservice ID] :


 dfs.client.failover.proxy.provider.hadoop-ha
 org.apache.hadoop.hdfs.server.namenode.ha.ConfiguredFailoverProxyProvider

    7、dfs.ha.fencing.methods:在failover期间用来隔离Active Namenode的脚本或者java 类列表。

    虽然JNS可以确保集群中只有一个Active Node写入edits,这对保护edits一致性很重要,但是在failover期间,有可能Acitive Node仍然存活,Client可能还与其保持连接提供旧的数据服务,我们可以通过此配置,指定shell脚本或者java程序,SSH到Active NameNode然后Kill Namenode进程。它有两种可选值(具体参见官方文档):

    1) sshfence:SSH登录到Active Namenode,并Kill此进程。首先当前机器能够使用SSH登录到远端,前提是已经授权(rsa)。

    2) shell:运行shell指令隔离Active Namenode。


 dfs.ha.fencing.methods
 shell(/path/to/my/script.sh arg1 arg2 ...)

“()”之间为shell脚本的路径,以及参数列表。

    8、fs.defaultFS(core-site.xml):

    在non-ha下,这个参数值为namenode的地址:“hdfs://namenode:8020”;不过在HA架构下,将使用namenservice名称替代


 fs.defaultFS
 hdfs://hadoop-ha

    9、dfs.journalnode.edits.dir:

    指定journalNode存储edits文件的本地路径。

    最终,上述配置信息,需要在server和Client端同时配置才能有效的适应HA与failover特性。

  二)、部署

    上述配置调整完毕后,我们就可以启动journalNodes守护进程,默认的"sbin/start-dfs.sh"脚本会根据"dfs.namenode.shared.edits.dir"配置,在相应的Datanode上启动journalNodes。当然我们可以使用::"bin/hdfs start journalnode"分别在相应的机器上启动。

    一旦JournalNodes启动成功,它们将会从Namenode上同步metadata。

    1、如果你的HDFS集群是新建的,那么需要在每个Namenode上执行"hdfs namenode -format"指令。

    2、如果你的namenodes已经format了,或者是将non-ha转换成ha架构,你应该在将其中一个namenode上的metadata复制到另一台上(dfs.namenode.name.dir目录下的数据),然后在那个没有format的新加入的namenode上执行"hdfs namenode -bootstrapStandby"。运行这个指令需要确保JournalNodes中持有足够多的edits。

    3、如果你将一个non-ha的Namenode(比如backup,其已经formated)切换成HA,你需要首先运行"hdfs -initializeSharedEdits",这个指令将本地Namenode中的edits初始化Journalnodes。

此后,你就可以启动HA Namenodes。可以通过配置指定的HTTP地址(dfs.namenode.https-address)来查看各个Namenode的状态,Active or Standby。

    三)、管理员指令

    HA集群启动后,我们可以通过一些指令来管理HDFS集群。“bin/hdfs haadmin -DFSHAAdmin”指令,其可选参数:

    1、-transitionToActive 与-transitionToStandbyl :将指定的namenode ID切换为Active或者standby。这个指令并不会触发“fencing method”,所以不常用,我们通常使用"hdfs haadmin -failover"来切换Namenode状态。

    2、-failover [--forcefence] [--foreactive] :在两个Namenode之间failover。这个指令会触发将first节点failover到second节点。如果first处于standby,那么只是简单的将second提升为Active。如果first为Active,那么将会友好的将其切换为standby,如果失败,那么fencing methods将会触发直到成功,此后second将会提升为Active。如果fencing method失败,那么second将不会被提升为Active。

    例如:"hdfs haadmin -DFSHAAdmin -failover nn1 nn2"

    3、-getServiceState :获取serviceId的状态,Active还是Standby。链接到指定的namenode上,并获取其当前的状态,打印出“standby”或者“active”。我可以在crontab中使用此命令,用来监测各个Namenode的状况。

    4、-checkHealth :检测指定的namenode的健康状况。

    四)、自动Failover

    上述介绍了如何配置手动failover,在这种模式下,系统不会自动触发failover,即不会将Standby提升为Active,即使Active已经失效。接下来介绍如何实现自动failover。

    1)、组件

    Automatic Failover中,增加了2个新的组件:zookeeper集群,ZKFailoverController进程(简称为ZKFC)。

    Zookeeper是一个高可用的调度服务,可以保存一系列调度数据,当这些数据变更(notify)时可以通知Client,以及监控(montitor)Clients失效,自动failover的实现将依赖于Zookeeper的几个特性:

        1、Failure delection:失效检测,每个Namenode将会和zookeeper建立一个持久session,如果Namenode失效,那么次session将会过期失效,此后Zookeeper将会通知另一个Namenode,然后触发Failover。

        2、Active Namenode election:zookeeper提供了简单的机制来实现Acitve Node选举,如果当前Active失效,Standby将会获取一个特定的排他锁(lock),那么获取(持有)锁的Node接下来将会成为Active。

    ZKFailoverControllor(ZKFC)是一个zookeeper客户端,它主要用来监测和管理Namenodes的状态,每个Namenode机器上都会运行一个ZKFC程序,它的职责为:

        1、Health monitoring:ZKFC间歇性的使用health-check指令ping本地的Namenode,Namenode也会及时的反馈自己的health status。如果Namenode失效,或者unhealthy,或者无响应,那么ZKFS将会标记其为“unhealthy”。

        2、Zookeeper session manangement:当本地Nanenode运行良好时,ZKFC将会持有一个zookeeper session,如果本地Namenode为Active,它同时也持有一个“排他锁”(znode);这个lock在zookeeper中为“ephemeral” znode(临时节点),如果session过期,那么次lock所对应的znode也将被删除。(参见zookeeper特性)

        3、Zookeeper-based election:如果本地Namenode运行良好,并且ZKFS没有发现其他的的Namenode持有lock(比如Active失效后,释放了lock),它将尝试获取锁,如果获取成功,即“赢得了选举”,那么此后将会把本地Namenode标记为Active,然后触发Failover:首先,调用fencing method,然后提升本地Namenode 为Active。

    2)、配置

    在Automatic Failover中,需要把一个重要的配置项添加到hdfs-site.xml中。

  
    dfs.ha.automatic-failover.enabled  
    true

此外还需要在core-site.xml中,增加如下配置:

  
    ha.zookeeper.quorum  
    zk1.example.com:2181,zk2.example.com:2181,zk3.example.com:2181

    上述zookeeper集群为即备,尽可能选择相对平稳的zk集群。

    其中"dfs.ha.automatic-failover.enabled"可以为每个nameservice ID分别配置:dfs.ha.automatic-failover.enabled.[nameservice ID]。此外在core-site.xml中还可以配置Zookeeper Client的相关参数,比如sessionTimeout,这些配置项以"ha.zookeeper"开头,其中"dfs.ha."开头的部分配置项可以用来设定fencing method的相关控制。

    3)、初始化HA状态

    上述准备工作结束后,我们还需要在zookeeper中初始化HA的状态,通过执行“hdfs zkfc -formatZK”,此命令将会在zookeeker中创建一个znode,用来保存HA或failover的数据。

    4)、启动集群

    可以使用"start-dfs.sh"这个便捷的指令,它启动了hdfs所需要的所有守护进程,当然包括ZKFC。也可以使用"hadoop-daemon.sh start zkfc"手动启动ZKFC客户端。

    5)、检验Failover

    一旦Automatic Failover集群启动之后,我们需要检测Failover是否符合预期。首先,我们需要通过命令(getServiceState)或者在Namenode的Web UI上查看各个Namenode的状态,确认两个Namenode是否分别处于Active和Standby;此后,你可以手动关闭Active Namenode,比如使用kill -9 ,在确定Acitve Node失效后,再次检测原来的Standby是否已经提升为Active;不过因为zookeeper session过期判定需要达到sessionTimeout(可配置,ha.zookeeper.session-timeout),这个failover过程可能需要滞后数秒,默认为5秒。

    如果没有按照预期failover,那么你需要检测配置文件是否正确,zk服务是否正确。此外,我们还可以使用上述DFSHAAadmin指令多次尝试。

    五)、FAQ

    1、ZKFC和Namenodes守护进程的启动顺序是否重要?

    No,对于指定的Namenode,你可以在其之前或者之后启动ZKFC均可以,ZKFC只是调度Namenode的存活状态,如果不启动ZKFC,此Namenode将无法参与自动failover过程。

    2、是否需要额外的monitoring?

    你需要在Namenode机器上,添加额外的monitor用来监控ZKFC是否运行。在某些情况下,zookeeper集群的故障可能导致ZKFC意外中断,你需要适时的重启ZKFC。此外,还需要监控Zookeeper集群的运行状况,如果Zookeeper集群失效,那么HA集群将无法failover。

    3、如果Zookeeper失效,将会怎么样?

    如果zookeeper集群故障,那么Automatic Failover将不会触发,即使Namenode失效,这也意味着ZKFC无法正常运行。不过,如果Namenodes正常(即使有一个失效),那么HDFS系统将不会受到影响。因为HDFS Client并没有基于zookeeper做任何事情,当zookeeper集群仍需要尽快的恢复以避免当前Active失效而造成的“split-brain”等问题。

    4、是否可以在Namenodes之间指定优先级?

    NO,这是不能支持的。首先启动的Namenode将作为Active,我们只能认为控制Namenode启动的顺序来做到“优先级”。

    5、在Automatic Failover中,手动Failover怎么做?

    和普通的Failover一样,我们总是可以通过"hdfs haadmin -DFSHAAdmin -failover"来实现手动Failover。

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