Hadoop详解（五）：HDFS HA 和 Federation

1. Hadoop 2.0 产生背景

• Hadoop 1.0中HDFS和MapReduce在高可用、扩展性等方面存在问题
• HDFS存在的问题
  • NameNode单点故障，难以应用于在线场景 HA
  • NameNode压力过大，且内存受限，影扩展性 Federation
• MapReduce存在的问题响
  • JobTracker访问压力大，影响系统扩展性
  • 难以支持除MapReduce之外的计算框架，比如Spark、Storm等

2. Hadoop 1.x 和Hadoop 2.x

Hadoop 2.x由HDFS、MapReduce和YARN三个分支构成：

1. HDFS：NN Federation（联邦）、HA。2.X:只支持2个节点HA，3.0实现了一主多备
2. MapReduce：运行在YARN上的MR；
   • 离线计算，基于磁盘I/O计算
3. YARN,资源管理系统

2.1 HDFS 2.x

• 解决HDFS 1.0中单点故障和内存受限问题。
• 解决单点故障
  • HDFS HA：通过主备NameNode解决
  • 如果主NameNode发生故障，则切换到备NameNode上
• 解决内存受限问题
  • HDFS Federation(联邦)
  • 水平扩展，支持多个NameNode；
  • （2）每个NameNode分管一部分目录；
  • （1）所有NameNode共享所有DataNode存储资源
• 2.x仅是架构上发生了变化，使用方式不变
• 对HDFS使用者透明
• HDFS 1.x中的命令和API仍可以使用

3. HDFS 2.x Federation(联邦)

通过多个namenode/namespace把元数据的存储和管理分散到多个节点中，使到namenode/namespace可以通过增加机器来进行水平扩展。

能把单个namenode的负载分散到多个节点中，在HDFS数据规模较大的时候不会也降低HDFS的性能。可以通过多个namespace来隔离不同类型的应用，把不同类型应用的HDFS元数据的存储和管理分派到不同的namenode中。

4. HDFS 2.x HA（高可用）

主备NameNode

Hadoop HA主要是解决NameNode单点故障问题，主NameNode对外提供服务，备NameNode同步主NameNode元数据，以待切换。所有DataNode同时向两个NameNode汇报数据块信息（位置）。并且在Hadoop HA中还含有JNN集群用来存储共享存储状态（shared edits文件）。处于StandyBy节点的NameNode，主要作用是完成了edits.log文件的合并产生新的image，推送回给Active NameNode。该步骤和SecondaryNameNode的备份功能类似，通过这种方式保证了StandyBy节点的NameNode和Actvie NameNode的fsimage文件一致。edit文件通过JNN集群存储共享存储状态，active namenode处理所有的操作请求（读写），读写入到这个共享状态的集群节点。

HDFS HA保持NameNode元数据信息一致，也就是说保持fsimge和edits文件保持一致。fsimge和edits文件在HDFS 格式化之后产生。

Hadoop的元数据主要作用是维护HDFS文件系统中文件和目录相关信息。元数据的存储形式主要有3类：内存镜像、磁盘镜像(FSImage)、日志(EditLog)。在Namenode启动时，会加载磁盘镜像到内存中以进行元数据的管理，存储在NameNode内存；磁盘镜像是某一时刻HDFS的元数据信息的快照，包含所有相关Datanode节点文件块映射关系和命名空间(Namespace)信息，存储在NameNode本地文件系统；日志文件记录client发起的每一次操作信息，即保存所有对文件系统的修改操作，用于定期和磁盘镜像合并成最新镜像，保证NameNode元数据信息的完整，存储在NameNode本地和共享存储系统(QJM)中。

4.1 共享存储(shared edits)

active namenode处理所有的操作请求（读写），standby namenode只同步状态datanode会同时向两个namenode发送block报告和心跳当满足一次checkpoint时，standby namenode进行一次合并操作active NN执行任何命名空间的修改都会持久化到一半以上的journalnodes上而Standby NN负责观察edits log的变化，它能够读取从JNs中读取edits信息，并更新其内部的命名空间一旦Active NN出现故障，Standby NN将会保证从JNs中读出了全部的Edits，然后切换成Active状态一次checkpoint过程

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4.2 切换机制

• 手动切换：通过命令实现主备之间的切换，可以用HDFS升级等场合
• 自动切换：基于Zookeeper实现

基于Zookeeper自动切换方案

• ZooKeeper Failover Controller：监控NameNode健康状态，
• 当NameNode启动时，会向Zookeeper注册NameNode
• NameNode挂掉后，ZKFC为NameNode竞争锁，获得ZKFC 锁的NameNode变为active