Hadoop之HDFS的HA與QJM

本文主要介紹HDFS HA特性，以及如何使用QJM(Quorum Journal Manager)特性實現HDFS HA。

    一、背景

    HDFS集群中只有一個Namenode，這就會引入單點問題；即如果Namenode故障，那么這個集群將不可用，直到Namenode重啟或者其他Namenode接入。

    有兩種方式會影響集群的整體可用性：

    1、意外的突發事件，比如物理機器crash，集群將不可用，直到管理員重啟Namenode。

    2、系統維護，比如軟件升級等，需要關閉Namenode，也會導致集群暫時性的失效。

    HDFS HA特性即解決這個問題，它通過在集群中同時運行2個(redundant)Namenodes，并讓active和passive之間熱備(hot standby)。當Active Namenode故障失效后，即可快速故障轉移到新的Namenode上(passive Namenode)；也可以在計劃維護期間，基于管理員發起(administrator-inited)的友好的failover。

    二、Architecture

    在典型的HA架構中，有兩個獨立的機器作為Namenode，任何時刻，只有一個Namenode處于Active狀態，另一個處于standby狀態(passive,備份)；Active Namenode用于接收Client端請求，Standy節點作為slave保持集群的狀態數據以備快速failover。

    為了讓Standby Node與Active Node保持同步，這兩個Node都與一組稱為JNS的互相獨立的進程保持通信(Journal Nodes)。當Active Node上更新了namespace，它將記錄修改日志發送給JNS的多數派。            Standby noes將會從JNS中讀取這些edits，并持續關注它們對日志的變更。Standby Node將日志變更應用在自己的namespace中，當failover發生時，Standby將會在提升自己為Active之前，確保能夠從JNS中讀取所有的edits；即在failover發生之前，Standy持有的namespace應該與Active保持完全同步。

為了支持快速failover，Standby node持有集群中blocks的最新位置是非常必要的。為了達到這一目的，Datanodes上需要同時配置這兩個Namenode的地址，同時和它們都建立心跳鏈接，并把block位置發送給它們。

    任何時刻，只有一個Active Namenode是非常重要的，否則將會導致集群操作的混亂，那么兩個Namenode將會分別有兩種不同的數據狀態，可能會導致數據丟失，或者狀態異常，這種情況通常稱為“split-brain”(腦裂，三節點通訊阻斷，即集群中不同的Datanodes卻看到了兩個Active Namenodes)。對于JNS(Journal Nodes)而言，任何時候只允許一個Namenode作為writer；在failover期間，原來的Standby Node將會接管Active的所有職能，并負責向JNS寫入日志記錄，這就阻止了其他Namenode基于處于Active狀態的問題。

    三、硬件資源

    為了構建HA集群架構，你需要準備如下資源：

    1、Namenode機器：兩臺配置對等的物理機器，它們分別運行Active和Standby Node。

    2、JouralNode機器：運行JouralNodes的機器。JouralNode守護進程相當的輕量級，它們可以和hadoop的其他進程部署在一起，比如Namenodes、jobTracker、ResourceManager等。不過為了形成多數派(majority)，至少需要3個JouralNodes，因為edits操作必須在多數派上寫入成功。當然JNS的個數可以 > 3，且通常為奇數(3,5,7)，這樣可以更好的容錯和形成多數派。如果你運行了N個JNS，那么它可以允許(N-1)/2個JNS進程失效并且不影響工作。

    此外，在HA集群中，standby namenode還會對namespace進行checkpoint操作(繼承Backup Namenode的特性)，因此，就不需要在HA集群中運行SecondaryNamenode、CheckpointNode或者BackupNode。事實上，HA架構中運行上述節點，將會出錯(不允許)。

    四、部署

    一)  、配置

    和HDFS Federation類似，HA配置向后兼容，運行只有一個Namenode運行而無需做任何修改。新的配置中，要求集群中所有的Nodes都有相同的配置文件，而不是根據不同的Node設定不同的配置文件。

和HDFS Federation一樣，HA集群重用了“nameservice ID”來標識一個HDFS 實例(事實上它可能包含多個HA Namenods)；此外，“NameNode ID”概念被添加到HA中，集群中每個Namenode都有一個不同的ID；為了能夠讓一個配置文件支持所有的Namenodes(適用與Federation環境)，那么相關的配置參數都以“nameservice ID”或“Namenode ID”作為后綴。

    修改hdfs-site.xml，增加如下幾個配置參數，其參數的順序無關。

    1、dfs.nameservices：nameservice的邏輯名稱。可以為任意可讀字符串；如果在Federation中使用，那么還應該包含其他的nameservices，以","分割。

<property>
 <name>dfs.nameservices</name>
 <value>hadoop-ha,hadoop-federation</value>
</property>

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

<property>
 <name>dfs.ha.namenodes.hadoop-ha</name>
 <value>nn1,nn2</value>
</property>

    其中“hadoop-ha”需要和1)中配置的nameservice ID匹配，此處我們定義“hadoop-ha”下有2個namenode ID。

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

<property>
 <name>dfs.namenode.rpc-address.hadoop-ha.nn1</name>
 <value>machine1.example.com:8020</value></property><property>
 <name>dfs.namenode.rpc-address.hadoop-ha.nn2</name>
 <value>machine2.example.com:8020</value>
</property>

    其中nameservice ID需要和1)匹配，namenode ID需要和2) 匹配。配置項的值為相應namenode的hostname以及通訊端口號(Client與namenode RPC通訊端口)，它和non-ha模式下“dfs.namenode.rpc-address”作用一樣。每個namenode ID都需要單獨配置。

    你可以根據需要，配置“dfs.namenode.servicerpc-address”，格式和上述一致。(SNN，backup節點與Namenode通訊地址)

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

<property>
 <name>dfs.namenode.http-address.hadoop-ha.nn1</name>
 <value>machine1.example.com:50070</value></property><property>
 <name>dfs.namenode.http-address.hadoop-ha.nn2</name>
 <value>machine2.example.com:50070</value>
</property>

    各個namenode的HTTP地址。它和non-ha下的"dfs.namenode.http-address"配置作用一樣。

    5、dfs.namenode.shared.edits.dir：

<property>
 <name>dfs.namenode.shared.edits.dir</name>
 <value>qjournal://node1.example.com:8485;node2.example.com:8485;node3.example.com:8485/hadoop-ha</value>
</property>

    配置JNS組的url地址，Namenodes將會從JNS組中讀寫edits。這是一個共享存儲區，Active Namenode寫入，Standby Node讀取，每個Namenodeservice必須配置足夠多的JNS地址(>=3，多數派)，每條的格式為：“qjournal://host1:port1;host2:port2;host3:port3/journalId”

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

<property>
 <name>dfs.journalnode.rpc-address</name>
 <value>0.0.0.0:8485</value></property><property>
 <name>dfs.journalnode.http-address</name>
 <value>0.0.0.0:8480</value>
</property>

    此外，我們還需要在相應的JournalNodes上增加上述配置。

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

<property>
 <name>dfs.client.failover.proxy.provider.hadoop-ha</name>
 <value>org.apache.hadoop.hdfs.server.namenode.ha.ConfiguredFailoverProxyProvider</value></property>

    7、dfs.ha.fencing.methods：在failover期間用來隔離Active Namenode的腳本或者java 類列表。

    雖然JNS可以確保集群中只有一個Active Node寫入edits，這對保護edits一致性很重要，但是在failover期間，有可能Acitive Node仍然存活，Client可能還與其保持連接提供舊的數據服務，我們可以通過此配置，指定shell腳本或者java程序，SSH到Active NameNode然后Kill Namenode進程。它有兩種可選值(具體參見官方文檔)：

    1) sshfence：SSH登錄到Active Namenode，并Kill此進程。首先當前機器能夠使用SSH登錄到遠端，前提是已經授權(rsa)。

    2) shell：運行shell指令隔離Active Namenode。

<property>
 <name>dfs.ha.fencing.methods</name>
 <value>shell(/path/to/my/script.sh arg1 arg2 ...)</value>
</property>

“()”之間為shell腳本的路徑，以及參數列表。

    8、fs.defaultFS(core-site.xml)：

    在non-ha下，這個參數值為namenode的地址：“hdfs://namenode:8020”；不過在HA架構下，將使用namenservice名稱替代

<property>
 <name>fs.defaultFS</name>
 <value>hdfs://hadoop-ha</value>
</property>

    9、dfs.journalnode.edits.dir：

    指定journalNode存儲edits文件的本地路徑。

    最終，上述配置信息，需要在server和Client端同時配置才能有效的適應HA與failover特性。

    二)、部署

    上述配置調整完畢后，我們就可以啟動journalNodes守護進程，默認的"sbin/start-dfs.sh"腳本會根據"dfs.namenode.shared.edits.dir"配置，在相應的Datanode上啟動journalNodes。當然我們可以使用:："bin/hdfs start journalnode"分別在相應的機器上啟動。

    一旦JournalNodes啟動成功，它們將會從Namenode上同步metadata。

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

    2、如果你的namenodes已經format了，或者是將non-ha轉換成ha架構，你應該在將其中一個namenode上的metadata復制到另一臺上(dfs.namenode.name.dir目錄下的數據)，然后在那個沒有format的新加入的namenode上執行"hdfs namenode -bootstrapStandby"。運行這個指令需要確保JournalNodes中持有足夠多的edits。

    3、如果你將一個non-ha的Namenode(比如backup，其已經formated)切換成HA，你需要首先運行"hdfs -initializeSharedEdits"，這個指令將本地Namenode中的edits初始化Journalnodes。

此后，你就可以啟動HA Namenodes。可以通過配置指定的HTTP地址(dfs.namenode.https-address)來查看各個Namenode的狀態，Active or Standby。

    三)、管理員指令

    HA集群啟動后，我們可以通過一些指令來管理HDFS集群。“bin/hdfs haadmin -DFSHAAdmin”指令，其可選參數：

    1、-transitionToActive <namenode id>與-transitionToStandbyl <namenode id>：將指定的namenode ID切換為Active或者standby。這個指令并不會觸發“fencing method”，所以不常用，我們通常使用"hdfs haadmin -failover"來切換Namenode狀態。

    2、-failover [--forcefence] [--foreactive] <serviceId-fist> <serviceId-second>：在兩個Namenode之間failover。這個指令會觸發將first節點failover到second節點。如果first處于standby，那么只是簡單的將second提升為Active。如果first為Active，那么將會友好的將其切換為standby，如果失敗，那么fencing methods將會觸發直到成功，此后second將會提升為Active。如果fencing method失敗，那么second將不會被提升為Active。

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

    3、-getServiceState <serviceId>：獲取serviceId的狀態，Active還是Standby。鏈接到指定的namenode上，并獲取其當前的狀態，打印出“standby”或者“active”。我可以在crontab中使用此命令，用來監測各個Namenode的狀況。

    4、-checkHealth <serviceId>：檢測指定的namenode的健康狀況。

    四）、自動Failover

    上述介紹了如何配置手動failover，在這種模式下，系統不會自動觸發failover，即不會將Standby提升為Active，即使Active已經失效。接下來介紹如何實現自動failover。

    1)、組件

    Automatic Failover中，增加了2個新的組件：zookeeper集群，ZKFailoverController進程(簡稱為ZKFC)。

    Zookeeper是一個高可用的調度服務，可以保存一系列調度數據，當這些數據變更(notify)時可以通知Client，以及監控(montitor)Clients失效，自動failover的實現將依賴于Zookeeper的幾個特性：

        1、Failure delection：失效檢測，每個Namenode將會和zookeeper建立一個持久session，如果Namenode失效，那么次session將會過期失效，此后Zookeeper將會通知另一個Namenode，然后觸發Failover。

        2、Active Namenode election：zookeeper提供了簡單的機制來實現Acitve Node選舉，如果當前Active失效，Standby將會獲取一個特定的排他鎖(lock)，那么獲取(持有)鎖的Node接下來將會成為Active。

    ZKFailoverControllor(ZKFC)是一個zookeeper客戶端，它主要用來監測和管理Namenodes的狀態，每個Namenode機器上都會運行一個ZKFC程序，它的職責為：

        1、Health monitoring：ZKFC間歇性的使用health-check指令ping本地的Namenode，Namenode也會及時的反饋自己的health status。如果Namenode失效，或者unhealthy，或者無響應，那么ZKFS將會標記其為“unhealthy”。

        2、Zookeeper session manangement：當本地Nanenode運行良好時，ZKFC將會持有一個zookeeper session，如果本地Namenode為Active，它同時也持有一個“排他鎖”(znode)；這個lock在zookeeper中為“ephemeral” znode(臨時節點)，如果session過期，那么次lock所對應的znode也將被刪除。(參見zookeeper特性)

        3、Zookeeper-based election：如果本地Namenode運行良好，并且ZKFS沒有發現其他的的Namenode持有lock(比如Active失效后，釋放了lock)，它將嘗試獲取鎖，如果獲取成功，即“贏得了選舉”，那么此后將會把本地Namenode標記為Active，然后觸發Failover：首先，調用fencing method，然后提升本地Namenode 為Active。

    2)、配置

    在Automatic Failover中，需要把一個重要的配置項添加到hdfs-site.xml中。

<property>  
    <name>dfs.ha.automatic-failover.enabled</name>  
    <value>true</value>
</property>

此外還需要在core-site.xml中，增加如下配置：

<property>  
    <name>ha.zookeeper.quorum</name>  
    <value>zk1.example.com:2181,zk2.example.com:2181,zk3.example.com:2181</value>
</property>

    上述zookeeper集群為即備，盡可能選擇相對平穩的zk集群。

    其中"dfs.ha.automatic-failover.enabled"可以為每個nameservice ID分別配置：dfs.ha.automatic-failover.enabled.[nameservice ID]。此外在core-site.xml中還可以配置Zookeeper Client的相關參數，比如sessionTimeout，這些配置項以"ha.zookeeper"開頭，其中"dfs.ha."開頭的部分配置項可以用來設定fencing method的相關控制。

    3)、初始化HA狀態

    上述準備工作結束后，我們還需要在zookeeper中初始化HA的狀態，通過執行“hdfs zkfc -formatZK”，此命令將會在zookeeker中創建一個znode，用來保存HA或failover的數據。

    4)、啟動集群

    可以使用"start-dfs.sh"這個便捷的指令，它啟動了hdfs所需要的所有守護進程，當然包括ZKFC。也可以使用"hadoop-daemon.sh start zkfc"手動啟動ZKFC客戶端。

    5)、檢驗Failover

    一旦Automatic Failover集群啟動之后，我們需要檢測Failover是否符合預期。首先，我們需要通過命令(getServiceState)或者在Namenode的Web UI上查看各個Namenode的狀態，確認兩個Namenode是否分別處于Active和Standby；此后，你可以手動關閉Active Namenode，比如使用kill -9 <pid num>，在確定Acitve Node失效后，再次檢測原來的Standby是否已經提升為Active；不過因為zookeeper session過期判定需要達到sessionTimeout(可配置，ha.zookeeper.session-timeout)，這個failover過程可能需要滯后數秒，默認為5秒。

    如果沒有按照預期failover，那么你需要檢測配置文件是否正確，zk服務是否正確。此外，我們還可以使用上述DFSHAAadmin指令多次嘗試。

    五）、FAQ

    1、ZKFC和Namenodes守護進程的啟動順序是否重要？

    No，對于指定的Namenode，你可以在其之前或者之后啟動ZKFC均可以，ZKFC只是調度Namenode的存活狀態，如果不啟動ZKFC，此Namenode將無法參與自動failover過程。

    2、是否需要額外的monitoring？

    你需要在Namenode機器上，添加額外的monitor用來監控ZKFC是否運行。在某些情況下，zookeeper集群的故障可能導致ZKFC意外中斷，你需要適時的重啟ZKFC。此外，還需要監控Zookeeper集群的運行狀況，如果Zookeeper集群失效，那么HA集群將無法failover。

    3、如果Zookeeper失效，將會怎么樣？

    如果zookeeper集群故障，那么Automatic Failover將不會觸發，即使Namenode失效，這也意味著ZKFC無法正常運行。不過，如果Namenodes正常(即使有一個失效)，那么HDFS系統將不會受到影響。因為HDFS Client并沒有基于zookeeper做任何事情，當zookeeper集群仍需要盡快的恢復以避免當前Active失效而造成的“split-brain”等問題。

    4、是否可以在Namenodes之間指定優先級？

    NO，這是不能支持的。首先啟動的Namenode將作為Active，我們只能認為控制Namenode啟動的順序來做到“優先級”。

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

    和普通的Failover一樣，我們總是可以通過"hdfs haadmin -DFSHAAdmin -failover"來實現手動Failover。