Hadoop HA 与 Federation

最近在做Hadoop上应用开发，需要和HA集成，active name node 切换不能影响应用的运行。在研究HA背景的同时，发现HA和Federation 配置中共用了nameservices 的概念，于是有了下面的整理。

一、为什么要HA 和 Federation

1. 单点故障

在Hadoop 2.0之前，也有若干技术试图解决单点故障的问题，我们在这里做个简短的总结

• Secondary NameNode。它不是HA，它只是阶段性的合并edits和fsimage，以缩短集群启动的时间。当NameNode(以下简称NN)失效的时候，Secondary NN并无法立刻提供服务，Secondary NN甚至无法保证数据完整性：如果NN数据丢失的话，在上一次合并后的文件系统的改动会丢失。
• Backup NameNode (HADOOP-4539)。它在内存中复制了NN的当前状态，算是Warm Standby，可也就仅限于此，并没有failover等。它同样是阶段性的做checkpoint，也无法保证数据完整性。
• 手动把name.dir指向NFS。这是安全的Cold Standby，可以保证元数据不丢失，但集群的恢复则完全靠手动。
• Facebook AvatarNode。Facebook有强大的运维做后盾，所以Avatarnode只是Hot Standby，并没有自动切换，当主NN失效的时候，需要管理员确认，然后手动把对外提供服务的虚拟IP映射到Standby NN，这样做的好处是确保不会发生脑裂的场景。其某些设计思想和Hadoop 2.0里的HA非常相似，从时间上来看，Hadoop 2.0应该是借鉴了Facebook的做法。
• 还有若干解决方案，基本都是依赖外部的HA机制，譬如DRBD，Linux HA，VMware的FT等等。

2. 集群容量和集群性能

单NN的架构使得HDFS在集群扩展性和性能上都有潜在的问题，当集群大到一定程度后，NN进程使用的内存可能会达到上百G，常用的估算公式为1G对应1百万个块，按缺省块大小计算的话，大概是64T (这个估算比例是有比较大的富裕的，其实，即使是每个文件只有一个块，所有元数据信息也不会有1KB/block)。同时，所有的元数据信息的读取和操作都需要与NN进行通信，譬如客户端的addBlock、getBlockLocations，还有DataNode的blockRecieved、sendHeartbeat、blockReport，在集群规模变大后，NN成为了性能的瓶颈。Hadoop 2.0里的HDFS Federation就是为了解决这两个问题而开发的。

二、hadoop 2 中HA的实现方式

图片来源： HDFS-1623 设计文档

图片作者： Sanjay Radia, Suresh Srinivas

在这个图里，我们可以看出HA的大致架构，其设计上的考虑包括：

• 利用共享存储来在两个NN间同步edits信息。
  以前的HDFS是share nothing but NN，现在NN又share storage，这样其实是转移了单点故障的位置，但中高端的存储设备内部都有各种RAID以及冗余硬件包括电源以及网卡等，比服务器的可靠性还是略有提高。通过NN内部每次元数据变动后的flush操作，加上NFS的close-to-open，数据的一致性得到了保证。社区现在也试图把元数据存储放到BookKeeper上，以去除对共享存储的依赖，Cloudera也提供了Quorum Journal Manager的实现和代码，这篇中文的blog有详尽分析：基于QJM/Qurom Journal Manager/Paxos的HDFS HA原理及代码分析

• DataNode(以下简称DN)同时向两个NN汇报块信息。
  这是让Standby NN保持集群最新状态的必需步骤，不赘述。

• 用于监视和控制NN进程的FailoverController进程
  显然，我们不能在NN进程内进行心跳等信息同步，最简单的原因，一次FullGC就可以让NN挂起十几分钟，所以，必须要有一个独立的短小精悍的watchdog来专门负责监控。这也是一个松耦合的设计，便于扩展或更改，目前版本里是用ZooKeeper(以下简称ZK)来做同步锁，但用户可以方便的把这个ZooKeeper FailoverController(以下简称ZKFC)替换为其他的HA方案或leader选举方案。

• 隔离(Fencing))，防止脑裂)，就是保证在任何时候只有一个主NN，包括三个方面：

  • 共享存储fencing，确保只有一个NN可以写入edits。
  • 客户端fencing，确保只有一个NN可以响应客户端的请求。
  • DataNode fencing，确保只有一个NN可以向DN下发命令，譬如删除块，复制块，等等。

三、hadoop 2中Federation的实现方式

图片来源： HDFS-1052 设计文档
图片作者： Sanjay Radia, Suresh Srinivas

这个图过于简明，许多设计上的考虑并不那么直观，我们稍微总结一下

• 多个NN共用一个集群里DN上的存储资源，每个NN都可以单独对外提供服务
• 每个NN都会定义一个存储池，有单独的id，每个DN都为所有存储池提供存储
• DN会按照存储池id向其对应的NN汇报块信息，同时，DN会向所有NN汇报本地存储可用资源情况
• 如果需要在客户端方便的访问若干个NN上的资源，可以使用客户端挂载表，把不同的目录映射到不同的NN，但NN上必须存在相应的目录

这样设计的好处大致有：

• 改动最小，向前兼容
  • 现有的NN无需任何配置改动.
  • 如果现有的客户端只连某台NN的话，代码和配置也无需改动。
• 分离命名空间管理和块存储管理
  • 提供良好扩展性的同时允许其他文件系统或应用直接使用块存储池
  • 统一的块存储管理保证了资源利用率
  • 可以只通过防火墙配置达到一定的文件访问隔离，而无需使用复杂的Kerberos认证
• 客户端挂载表
  • 通过路径自动对应NN
  • 使Federation的配置改动对应用透明

四、HA和Federation的配置

为了彻底搞清HA和Federation的配置，我们一步到位，选择了如下的测试场景，结合了HA和Federation：

这张图里有个概念是前面没有说明的，就是NameService。Hadoop 2.0里对NN进行了一层抽象，提供服务的不再是NN本身，而是NameService(以下简称NS)。Federation是由多个NS组成的，每个NS又是由一个或两个(HA)NN组成的。在接下里的测试配置里会有更直观的例子。

图中DN-1到DN-6是六个DataNode，NN-1到NN-4是四个NameNode，分别组成两个HA的NS，再通过Federation组合对外提供服务。Storage Pool 1和Storage Pool 2分别对应这两个NS。我们在客户端进行了挂载表的映射，把/share映射到NS1，把/user映射到NS2，这个映射其实不光是要指定NS，还需要指定到其上的某个目录，稍后的配置中大家可以看到。

下面我们来看看配置文件里需要做哪些改动，为了便于理解，我们先把HA和Federation分别介绍，然后再介绍同时使用HA和Federation时的配置方式，首先我们来看HA的配置：

对于HA中的所有节点，包括NN和DN和客户端，需要做如下更改：

HA，所有节点，hdfs-site.xml

<property>
    <name>dfs.nameservices</name>
    <value>ns1</value>
    <description>提供服务的NS逻辑名称，与core-site.xml里的对应</description>
</property>

<property>
    <name>dfs.ha.namenodes.${NS_ID}</name>
    <value>nn1,nn3</value>
    <description>列出该逻辑名称下的NameNode逻辑名称</description>
</property>

<property>
    <name>dfs.namenode.rpc-address.${NS_ID}.${NN_ID}</name>
    <value>host-nn1:9000</value>
    <description>指定NameNode的RPC位置</description>
</property>

<property>
    <name>dfs.namenode.http-address.${NS_ID}.${NN_ID}</name>
    <value>host-nn1:50070</value>
    <description>指定NameNode的Web Server位置</description>
</property>
 

以上的示例里，我们用了${}来表示变量值，其展开后的内容大致如下：

<property> <name>dfs.ha.namenodes.ns1</name> <value>nn1,nn3</value> </property>

<property> <name>dfs.namenode.rpc-address.ns1.nn1</name> <value>host-nn1:9000</value> </property>

<property> <name>dfs.namenode.http-address.ns1.nn1</name> <value>host-nn1:50070</value> </property>

<property> <name>dfs.namenode.rpc-address.ns1.nn3</name> <value>host-nn3:9000</value> </property>

<property> <name>dfs.namenode.http-address.ns1.nn3</name> <value>host-nn3:50070</value> </property>

与此同时，在HA集群的NameNode或客户端还需要做如下配置的改动：

HA，NameNode，hdfs-site.xml

<property>
    <name>dfs.namenode.shared.edits.dir</name>
    <value>file:///nfs/ha-edits</value>
    <description>指定用于HA存放edits的共享存储，通常是NFS挂载点</description>
</property>

<property>
    <name>ha.zookeeper.quorum</name>
    <value>host-zk1:2181,host-zk2:2181,host-zk3:2181,</value>
    <description>指定用于HA的ZooKeeper集群机器列表</description>
</property>

<property>
    <name>ha.zookeeper.session-timeout.ms</name>
    <value>5000</value>
    <description>指定ZooKeeper超时间隔，单位毫秒</description>
</property>

<property>
    <name>dfs.ha.fencing.methods</name>
    <value>sshfence</value>
    <description>指定HA做隔离的方法，缺省是ssh，可设为shell，稍后详述</description>
</property>

HA，客户端，hdfs-site.xml

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

<property>
    <name>dfs.client.failover.proxy.provider.${NS_ID}</name>
    <value>org.apache.hadoop.hdfs.server.namenode.ha.ConfiguredFailoverProxyProvider</value>
    <description>指定客户端用于HA切换的代理类，不同的NS可以用不同的代理类
        以上示例为Hadoop 2.0自带的缺省代理类</description>
</property>

最后，为了方便使用相对路径，而不是每次都使用hdfs://ns1作为文件路径的前缀，我们还需要在各角色节点上修改core-site.xml：

HA，所有节点，core-site.xml

<property>
    <name>fs.defaultFS</name>
    <value>hdfs://ns1</value>
    <description>缺省文件服务的协议和NS逻辑名称，和hdfs-site里的对应
        此配置替代了1.0里的fs.default.name</description>
</property>

接下来我们看一下如果单独使用Federation，应该如何配置，这里我们假设没有使用HA，而是直接使用nn1和nn2组成了Federation集群，他们对应的NS的逻辑名称分别是ns1和ns2。为了便于理解，我们从客户端使用的core-site.xml和挂载表入手：

Federation，所有节点，core-site.xml

<xi:include href=“cmt.xml"/>
<property>
    <name>fs.defaultFS</name>
    <value>viewfs://nsX</value>
    <description>整个Federation集群对外提供服务的NS逻辑名称，
        注意，这里的协议不再是hdfs，而是新引入的viewfs
        这个逻辑名称会在下面的挂载表中用到</description>
</property>

我们在上面的core-site中包含了一个cmt.xml文件，也就是Client Mount Table，客户端挂载表，其内容就是虚拟路径到具体某个NS及其物理子目录的映射关系，譬如/share映射到ns1的/real_share，/user映射到ns2的/real_user，示例如下：

Federation，所有节点，cmt.xml

<configuration>
    <property>
        <name>fs.viewfs.mounttable.nsX.link./share</name>
        <value>hdfs://ns1/real_share</value>
    </property>
    <property>
        <name>fs.viewfs.mounttable.nsX.link./user</name>
        <value>hdfs://ns2/real_user</value>
    </property>
</configuration>

注意，这里面的nsX与core-site.xml中的nsX对应。而且对每个NS，你都可以建立多个虚拟路径，映射到不同的物理路径。与此同时，hdfs-site.xml中需要给出每个NS的具体信息：

Federation，所有节点，hdfs-site.xml

<property>
    <name>dfs.nameservices</name>
    <value>ns1,ns2</value>
    <description>提供服务的NS逻辑名称，与core-site.xml或cmt.xml里的对应</description>
</property>

<property>
    <name>dfs.namenode.rpc-address.ns1</name>
    <value>host-nn1:9000</value>
</property>

<property>
    <name>dfs.namenode.http-address.ns1</name>
    <value>host-nn1:50070</value>
</property>

<property>
    <name>dfs.namenode.rpc-address.ns2</name>
    <value>host-nn2:9000</value>
</property>

<property>
    <name>dfs.namenode.http-address.ns2</name>
    <value>host-nn2:50070</value>
</property>
 

可以看到，在只有Federation且没有HA的情况下，配置的name里只需要直接给出${NS_ID}，然后value就是实际的机器名和端口号，不需要再.${NN_ID}。

这里有一个情况，就是NN本身的配置。从上面的内容里大家可以知道，NN上是需要事先建立好客户端挂载表映射的目标物理路径，譬如/real_share，之后才能通过以上的映射进行访问，可是，如果不指定全路径，而是通过映射+相对路径的话，客户端只能在挂载点的虚拟目录之下进行操作，从而无法创建映射目录本身的物理目录。所以，为了在NN上建立挂载点映射目录，我们就必须在命令行里使用hdfs协议和绝对路径：

hdfs dfs -mkdir hdfs://ns1/real_share

上面这个问题，我在EasyHadoop的聚会上没有讲清楚，只是简单的说在NN上不要使用viewfs://来配置，而是使用hdfs://，那样是可以解决问题，但是是并不是最好的方案，也没有把问题的根本说清楚。

最后，我们来组合HA和Federation，真正搭建出和本节开始处的测试环境示意图一样的实例。通过前面的描述，有经验的朋友应该已经猜到了，其实HA+Federation配置的关键，就是组合hdfs-site.xml里的dfs.nameservices以及dfs.ha.namenodes.${NS_ID}，然后按照${NS_ID}和${NN_ID}来组合name，列出所有NN的信息即可。其余配置一样。

HA + Federation，所有节点，hdfs-site.xml

<property>
    <name>dfs.nameservices</name>
    <value>ns1, ns2</value>
</property>

<property>
    <name>dfs.ha.namenodes.ns1</name>
    <value>nn1,nn3</value>
</property>

<property>
    <name>dfs.ha.namenodes.ns2</name>
    <value>nn2,nn4</value>
</property>

<property>
    <name>dfs.namenode.rpc-address.ns1.nn1</name>
    <value>host-nn1:9000</value>
</property>

<property>
    <name>dfs.namenode.http-address.ns1.nn1</name>
    <value>host-nn1:50070</value>
</property>

<property>
    <name>dfs.namenode.rpc-address.ns1.nn3</name>
    <value>host-nn3:9000</value>
</property>

<property>
    <name>dfs.namenode.http-address.ns1.nn3</name>
    <value>host-nn3:50070</value>
</property>

<property>
    <name>dfs.namenode.rpc-address.ns2.nn2</name>
    <value>host-nn2:9000</value>
</property>

<property>
    <name>dfs.namenode.http-address.ns2.nn2</name>
    <value>host-nn2:50070</value>
</property>

<property>
    <name>dfs.namenode.rpc-address.ns2.nn4</name>
    <value>host-nn4:9000</value>
</property>

<property>
    <name>dfs.namenode.http-address.ns2.nn4</name>
    <value>host-nn4:50070</value>
</property>

对于没有.${NS_ID}，也就是未区分NS的项目，需要在每台NN上分别使用不同的值单独配置，尤其是NFS位置(dfs.namenode.shared.edits.dir)，因为不同NS必定要使用不同的NFS目录来做各自内部的HA (除非mount到本地是相同的，只是在NFS服务器端是不同的，但这样是非常不好的实践)；而像ZK位置和隔离方式等其实大可使用一样的配置。

除了配置以外，集群的初始化也有一些额外的步骤，譬如，创建HA环境的时候，需要先格式化一台NN，然后同步其name.dir下面的数据到第二台，然后再启动集群 (我们没有测试从单台升级为HA的情况，但道理应该一样)。在创建Federation环境的时候，需要注意保持${CLUSTER_ID}的值，以确保所有NN能共享同一个集群的存储资源，具体做法是在格式化第一台NN之后，取得其${CLUSTER_ID}的值，然后用如下命令格式化其他NN：

hadoop namenode -format -clusterid ${CLUSTER_ID}

当然，你也可以从第一台开始就使用自己定义的${CLUSTER_ID}值。

如果是HA + Federation的场景，则需要用Federation的格式化方式初始化两台，每个HA环境一台，保证${CLUSTER_ID}一致，然后分别同步name.dir下的元数据到HA环境里的另一台上，再启动集群。

材料来自：http://www.infoq.com/cn/articles/hadoop-2-0-namenode-ha-federation-practice-zh/