帶你了解HDFS的Namenode 高可用機制

HDFS NameNode 高可用

在 Hadoop 2.0.0 之前，一個集群只有一個Namenode，這將面臨單點故障問題。如果 Namenode 機器掛掉了，整個集群就用不了了。只有重啟 Namenode ，才能恢復(fù)集群。另外正常計劃維護集群的時候，還必須先停用整個集群，這樣沒辦法達到 7 * 24小時可用狀態(tài)。Hadoop 2.0 及之后版本增加了 Namenode 高可用機制，下面詳細介紹。

Hadoop Namenode 高可用架構(gòu)

Hadoop 2.0 克服了 Namenode 單點故障問題，即在一個集群中有2個 Namenode 節(jié)點，一個是活動的Namenode節(jié)點（Active Namenode），即主節(jié)點，一個是備用 Namenode（Passive Namenode），即備用節(jié)點，而且支持熱備份和故障切換。

活動 Namenode：負責(zé)處理集群中所有客戶端請求。
備用 Namenode：備用節(jié)點，擁有和活動的 Namenode 一樣的元數(shù)據(jù)。在活動 Namenode 失效后，會接管它的工作。

活動 Namenode 和備用 Namenode 之間是如何同步數(shù)據(jù)的呢？即他們是怎么保持一致性的，主要有下面幾點：

• 活動和備用 Namenode 兩者總是同步的，例如，他們存儲著一樣的元數(shù)據(jù)，這可以把集群恢復(fù)到系統(tǒng)奔潰時的狀態(tài)。而且基于此還能實現(xiàn)自動故障切換。
• 同一時間，集群只能有一個活動的 Namenode 節(jié)點，否則，兩個 Namenode 會導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)生錯亂并且無法恢復(fù)。我們把這種情況稱為“腦裂”現(xiàn)象，即一個集群被分成兩個小集群，并且兩邊都認為自己是唯一活動的集群。Zookeeper 社區(qū)對這種問題的解決方法叫做 fencing，中文翻譯為隔離，也就是想辦法把舊的 活動 NameNode 隔離起來，使它不能正常對外提供服務(wù)，使集群始終只有一個活動的 Namenode。

了解完 Hadoop 高可用架構(gòu)之后，讓我們來看一下 Hadoop Namenode 高可用是怎么實現(xiàn)的。

Namenode 高可用的實現(xiàn)

這里主要介紹通過隔離（fencing）和Quorum Journal Manager（QJM）共享存儲實現(xiàn)的 HDFS 高可用。

隔離（Fencing）

隔離（Fencing）是為了防止腦裂，就是保證在任何時候HDFS只有一個Active NN，主要包括三個方面：

• 共享存儲fencing：確保只有一個NN可以寫入edits。QJM中每一個JournalNode中均有一個epochnumber，匹配epochnumber的QJM才有權(quán)限更新 JN。當(dāng) Namenode 由 standby 狀態(tài)切換成 active 狀態(tài)時，會重新生成一個 epochnumber，并更新 JN 中的 epochnumber，以至于以前的 Active Namenode 中的QJM 中的 epoch number 和 JN 的 epochnumber 不匹配，故而原 Active Namenode上的 QJM 沒法往 JN 中寫入數(shù)據(jù)（后面會介紹源碼），即形成了 fencing。
• 客戶端f encing：確保只有一個 Namenode 可以響應(yīng)客戶端的請求。
• DataNode fencing：確保只有一個 Namenode 可以向 Datanode 下發(fā)命令，譬如刪除塊，復(fù)制塊，等等。

QJM 的 Fencing 方案只能讓原來的 Active Namenode 失去對 JN 的寫權(quán)限，但是原來的 Active Namenode 還是可以響應(yīng)客戶端的請求，對 Datanode 進行讀。對客戶端和 DataNode 的 fence 是通過配置 dfs.ha.fencing.methods 實現(xiàn)的。

Hadoop 公共庫中有兩種Fencing實現(xiàn)：sshfence、shell

• sshfence：ssh到原Active NN上，使用fuser結(jié)束進程（通過tcp端口號定位進程 pid，該方法比 jps 命令更準(zhǔn)確）。
• shell：即執(zhí)行一個用戶事先定義的shell命令（腳本）完成隔離。

QJM共享存儲

Qurom Journal Manager（QJM）是一個基于 Paxos 算法實現(xiàn)的 HDFS 元數(shù)據(jù)共享存儲的方案。QJM 的基本原理就是用 2N+1 臺 JournalNode 存儲 EditLog，每次寫數(shù)據(jù)操作有大多數(shù)（>=N+1）返回成功時即認為該次寫成功，數(shù)據(jù)不會丟失。這個算法所能容忍的是最多有 N 臺機器掛掉，如果多于 N 臺掛掉，這個算法就失效了。這個原理是基于 Paxos 算法的。

用QJM的方式來實現(xiàn)HA的主要好處有：

• 不需要配置額外的高共享存儲，這樣對于基于商用硬件的云計算數(shù)據(jù)中心來說，降低了復(fù)雜度和維護成本；
• 不在需要單獨配置 fencing 實現(xiàn)，因為 QJM 本身內(nèi)置了 fencing 的功能；
• 不存在單點故障問題；
• 系統(tǒng)魯棒性的程度是可配置的（ QJM 基于 Paxos 算法，所以如果配置 2N+1 臺 JournalNode 組成的集群，能容忍最多 N 臺機器掛掉）；
• QJM 中存儲日志的 JournalNode 不會因為其中一臺的延遲而影響整體的延遲，而且也不會因為 JournalNode 的數(shù)量增多而影響性能（因為 Namenode 向 JournalNode 發(fā)送日志是并行的）。

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