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利用QJM实现HDFS的HA策略部署与验证工作记录分享

zengzhaozheng 2023-03-28 原文
1、概述 

    Hadoop2.X中的HDFS(Vsersion2.0)相比于Hadoop1.X增加了两个重要功能，HA和Federation。HA解决了Hadoop1.X  Namenode中一直存在的单点故障问题，HA策略通过热备的方式为主NameNode提供一个备用者，并且这个备用者的状态一直和主Namenode的元数据保持一致，一旦主NameNode挂了，备用NameNode可以立马转换变换为主NameNode，从而提供不间断的服务。另外，Federation特性，主要是允许一个 HDFS 集群中存在多个 NameNode 同时对外提供服务，这些 NameNode 分管一部分目录（水平切分），彼此之间相互隔离，但共享底层的 DataNode 存储资源。本文档主要是总结我自己个人利用为QJM（Quorum Journal Manager）为公司测试集群（hadoop2.2.0）部署HA策略的过程以及自己在部署过程中遇到的一些问题。

2、HDFSHA基本架构

    先来看个手动挡切换的HA架构图：

    在一个典型的 HDFS  HA 场景中，通常由两个NameNode 组成，一个处于Active状态，另一个处于Standby状态。Active NameNode 对外提供服务，比如处理来自客户端的 RPC 请求，而 Standby NameNode 则不对外提供服务，仅同步 Active NameNode的状态，以便能够在它失败时快速进行切换。

为了能够实时同步 Active 和 Standby 两个 NameNode 的元数据信息（实际上editlog），需提供一个共享存储系统，可以是 NFSQJ（Quorum Journal Manager）或者 Bookeeper，Active  NameNode 将数据写入共享存储系统，我们可以在Active  NameNode的50070端口上看到相应的NameNode Journal  Status信息：

同时Standby NameNode监听该系统（QJM管理下的Journalnode进程对应的存储路径），一旦发现有新数据写入，则读取这些数据，并加载到自己内存中，以保证自己内存状态与 Active NameNode 保持基本一致，那么在紧急情况下 standby NameNode便可快速切为Active NameNode。另外，在Hadoop1.X中的Secondary NameNode或者自己通过nfs热备的NameNode信息在Hadoop2.X中已经不再需要了，他们被Standby NameNode取代了。 在Yarn的官网中，我还看到一段关于JournalNode错误兼容性信息：

大概意思是主备NameNode 之间通过一组JournalNode 同步元数据信息（我的通俗理解就是QJM类似一个数据池，池里边装着多个JournalNode进程存储editlog，Active NameNode往池里边的JournalNode进程写editlog，StandBy NameNode向池里边的JournalNode取数据同步），一条数据只要成功写入多数 JournalNode 即认为写入成功。启动的JournalNode的个数必须为奇数个。如果你的HA策略中启动了N个JournalNode进程那么整个QJM最多允许(N-1)/2个进程死掉，这样才能保证editLog成功完整地被写入。比如 3个 JournalNode 时，最多允许 1 个 JournalNode挂掉，5 个 JournalNode 时，最多允许 2 个 JournalNode 挂掉。

3、  HDFS HA部署

 3.1、部署和测试环境

HDFS HA的部署和验证是在公司的测试集群中完成，其中测试集群中数据节点一共有4个主机名分别为hadoop-slave1、hadoop-slave02、hadoop-slave03、hadoop-slave04，master节点的主机名为hadoop-master。因为JournalNode和Zookeeper进程是非常轻量级的，可以其他服务共用节点。现在的部署情况是：

hadoop-master：作为Active NameNode

haoop-slave01:  作为StandBy NameNode

hadoop-slave02: 作为DataNode，并且启动一个JournalNode、启动一个Zookeeper

hadoop-slave03: 作为DataNode，并且启动一个JournalNode、启动一个Zookeeper

hadoop-slave04: 作为DataNode，并且启动一个JournalNode、启动一个Zookeeper

其他软件：

Apache Hadoop 2.2.0、JDK1.6


3.2、修改配置文件

主要配置${HADOOP_HOME}/etc/hadoop/下的hdfs-site.xml。下面是一些配置参数以及说明：

（1）      dfs.nameservices

HDFS的命名服务逻辑名称，可以自己定义。在已经配置HA策略的HDFS会用到这个逻辑名称，同时该名称也会被基于HDFS的系统用，例如HBASE等。另外，如果需要启动HDFS Federation的话，可以通过该参数指定多个服务逻辑名称，用“，”作为分隔符。

 我的配置如下：

<property>
   <name>dfs.nameservices</name>
    <value>mycluster</value>
    <description>Logical name forthis new nameservice</description>
</property>

（2）     dfs.ha.namenodes.[$nameserviceID]

命名服务下面包含的NameNode列表，可为每个NameNode 指定一个自定义的 ID 名称，比如命名服务 testCluster 下有两个 NameNode，分别命名为 nn1 和 nn2（到目前为止一个命名服务下最多包含2个NameNode），我的配置如下：

<property>
    <name>dfs.ha.namenodes.testCluster</name>
    <value>nn1,nn2</value>
    <description>Unique identifiers for each NameNode in the nameservice </description>
</property>

（3）      dfs.namenode.rpc-address.[$nameserviceID].[$name node ID]

   这个参数很容易理解，主要是为每个NameNode设置RPC地址，我的配置如下：

<property>
   <name>dfs.namenode.rpc-address.testCluster.nn1</name>
    <value>hadoop-master:8020</value>
</property>
<property>
   <name>dfs.namenode.rpc-address.testCluster.nn2</name>
   <value>hadoop-slave01:8020</value>
</property>

（4）      dfs.namenode.http-address.[$nameserviceID].[$name node ID]

这个参数主要是为NameNode设置对外的HTTP地址， 通过此配置的指定你可以执行在浏览器中管理HDFS界面等操作。我的配置如下：

<property>
    <name>dfs.namenode.http-address.testCluster.nn1</name>
    <value>hadoop-master:50070</value>
</property>
<property>
    <name>dfs.namenode.http-address.testCluster.nn2</name>
    <value>hadoop-slave01:50070</value> 
</property>

（5）      dfs.namenode.shared.edits.dir

设置一组JournalNode的URL地址，ActiveNameNode会将Edit Log写入这些JournalNode所配置的本地目录（可以用nfs等共享文件系统，由参数dfs.journalnode.edits.dir控制）中，而StandByNameNode通过DataNode的心跳通知去读取这些Edit Log，并且作用在内存中的目录树中，其配置格式为：qjournal://host1:port1;host2:port2;host3:port3/journalId，我的配置如下：

<property>
       <name>dfs.namenode.shared.edits.dir</name>
       <value>qjournal://hadoop-slave02:8485;hadoop-slave03:8485;hadoop-slave04:8485/testcluster</value>
        <description>journalNodeList</description>
</property>

（6）      dfs.journalnode.edits.dir

这个就是刚刚提到的JournalNode所在节点上的一个目录，用于存放 editlog 和其他状态信息，该参数只能设置一个目录，你可以对磁盘做 RIAD 提高数据可靠性。

<property>
       <name>dfs.journalnode.edits.dir</name>
        <value>/home/hadoop/hadoop-2.2.0/journal/node/local/data</value>
</property>

（7）      dfs.client.failover.proxy.provider.[$nameserviceID]

该参数设置HDFS客户端与ActiveName进行交互的JAVA实现类，HDFS客户端通过该参数来寻找到集群中的Active NameNode，此类默认实现ConfiguredFailoverProxyProvider，我的配置如下：

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

（8）      dfs.ha.fencing.methods

这个参数比较重要，主要用于在主备节点切换时实现隔离机制的，在官方网站中做了相当详细的配置说明，其大概意思为：主备架构解决单点故障问题时，必须要认真解决的是脑裂问题，即出现两个 master 同时对外提供服务，导致系统处于不一致状态，可能导致数据丢失等潜在问题。在 HDFS HA中，JournalNode 只允许一个 NameNode 写数据，不会出现两个 Active NameNode 的问题，但是，当主备切换时，之前的 Active NameNode 可能仍在处理客户端的 RPC 请求，为此，需要增加隔离机制（fencing）将之前的 Active NameNode 杀死。HDFS 允许用户配置多个隔离机制，当发生主备切换时，将顺次执行这些隔离机制，直到一个返回成功。Hadoop 2.0 内部打包了两种类型的隔离机制，分别是 shell  和 sshfence。

  1）sshfence方式

sshfence 通过 ssh 登录到前一个 ActiveNameNode 并将其杀死。为了让该机制成功执行，需配置免密码 ssh 登陆（注意：这个为主备节点配置双向的RSA免密码登陆），这可通过参数 dfs.ha.fencing.ssh.private-key-files 指定一个私钥文件。我的配置如下：

<property>
        <name>dfs.ha.fencing.methods</name>
       <value>sshfence</value>
</property>
<property>
       <name>dfs.ha.fencing.ssh.private-key-files</name>
       <value>/home/hadoop/.ssh/id_rsa</value>
</property>

另外，在设置一个超时时间，一旦 ssh 超过该时间，则认为执行失败。我的配置如下：

<property>
   <name>dfs.ha.fencing.ssh.connect-timeout</name>
    <value>30000</value>
</property>

  2）  shell方式（我没有采用这种方式）

         执行自定义的Shell脚本命令隔离旧的ActiveNameNode。相比于sshfence方式，个人认为这种方式有个好处就是，你在shell脚本里边可以将之前的 Active NameNode 直接kill掉，然后立马启动NameNode，此时刚刚启动的NameNode就是立马处于一个StandBy状态，立马就可以进入HA状态，如果采用sshfence方式还要手动自己重启刚刚被kill掉的NameNode从而才能进入HA（这些的前提都是，采用手动HA方式，之前的Acitve NameNode不是宕机而仅仅是NameNode进程挂掉）。配置可以为：

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

注意， Hadoop 中所有参数将以环境变量的形似提供给该 shell，但所有的“.”被替换成了“_”，比如“dfs.namenode.rpc-address.ns1.nn1”变为“dfs_namenode_rpc-address”。


3.3、启动各种服务

HDFS集群进程启动的大概顺序为：启动所有的JournalNodeà启动nn1和nn2à启动所有DataNode。具体详细步骤如下：

（1）          启动所有JournalNode

在所有的配置有JournalNode的服务节点上，以我的配置就是在hadoop-slave02、hadoop-slave03和hadoop-slave04上分别执行:

$HADOOP_HOME/sbin/hdfs-daemon.sh startjournalnode

（2）          初始化JournalNode

此步骤要注意的是，如果你是将非HA HDFS的集群转化成为HA HDFS那么这一步骤就需要，如果都是HA HDFS就不需要执行此步骤。该步骤的主要作用是将非HA HDFS中NameNode的edit log去初始化JourNalnodes。具体操作在nn1上执行:

 $HADOOP_HOME/bin/hdfs namenode -initializeSharedEdits [-force | -nonInteractive]。

此命令默认是交互式的，需要用户输入各种YOR N，如果嫌麻烦就直接执行：

$HADOOP_HOME/bin/hdfs namenode–initializeSharedEdits –force

（3）          启动nn1和nn2

子步骤1：

进入nn1，如果是新集群则format（注意，如果不是新集群千万不要format）：

$HADOOP_HOME/bin/hadoop namenode -format

子步骤2：进入nn1，接着启动nn1:

hadoop-daemon.sh start namenode

子步骤3：进入nn2，执行下面命令让nn2从nn1上将最新的FSp_w_picpath信息拉回来：

注意：如果是nn2的NameNode已经是被format掉了或者是将非HA HDFS的集群转化成为HA HDFS则不需要执行这一个步骤。

$HADOOP_HOME/bin/hdfs namenode -bootstrapStandby -force

子步骤4：进入nn2，然后启动nn2:

hadoop-daemon.sh start namenode

子步骤5：启动所有的DataNode

在各个DataNode节点执行：

hadoop-daemon.sh start datanode

或者直接在nn1节点直接执行：

hadoop-daemons.sh start namenode

各个服务到现在为止已经启动完毕，主备节点都还处于StandBy状态。我们可以看到主备节点的信息：

    在这里说说一个遇到的“错误”问题，我在分别启动nn1和nn2之后，还没有将其中一个切换为Acive NameNode时，在nn1和nn2的日志上都报了以下这个“错误”：

其实这个错误信息完全可以不用管，出现这个问题原因上面信息已经很明显了，只要接下来将其中一个切换成Acive NameNode就ok了。


3.4、手动切换Active NameNode

    nn1和nn2启动后都处于StandBy状态，此时都不能够对外提供服务，现在需要将nn1切换为Active NameNode，进入nn1节点输入：

$HADOOP_HOME/bin/hdfs haadmin-transitionToActive nn1

切换后我们再看看50070页面，nn1已经被切换为Active了：

在来看看之前还没有切换Acive NameNode的“错误”信息已经消失了，下面分别是nn1和nn2的日志信息，非常正常：

另外，如果你现在想将nn2转化为Acive NameNode，则在进入nn2所在节点，输入命令：

$HADOOP_HOME/bin/hdfs haadmin-failover --forcefence --forceactive nn1 nn2

看看nn2上的日志：


在这里说说我在切换时遇到过的几个小问题：

  • 在住备节点上一定要配置双向的RSA免密码登陆，不然再切换时会出错，sshfence方式不能找到旧的Active NameNode，直接被reject掉。

  • 第二，在切换的过程中我遇到了这个错误：


这个是权限问题，解决方法是直接在core-site.xml文件添加下面权限控制选项：

<property>
   <name>hadoop.http.filter.initializers</name>
    <value>org.apache.hadoop.security.AuthenticationFilterInitializer</value>
</property>
<property>
   <name>hadoop.http.authentication.type</name>
    <value>simple</value>
</property>
<property>
   <name>hadoop.http.authentication.token.validity</name>
    <value>36000</value>
</property>
<property>
   <name>hadoop.http.authentication.signature.secret.file</name>
    <value>/home/hadoop/hadoop-http-auth-signature-secret</value>
</property>
<property>
   <name>hadoop.http.authentication.cookie.domain</name>
    <value></value>
</property>
<property>
   <name>hadoop.http.authentication.simple.anonymous.allowed</name>
    <value>true</value>
</property>

然后建立/home/hadoop/hadoop-http-auth-signature-secret文件，并且在文件写入访问用户，我写入的是hadoop，然后将这个文件scp到各个节点,问题解决。

  • 如果你将Active NameNode从nn1转到nn2后，在各个DataNode日志出现一个“错误”信息：

其实这个是我意料之中的“错误”信息，其实是没有任何问题的。因为，当你的Acive NameNode从nn1切换至nn2时，nn1就会被kill（即hadoop-msater中的NameNode进程会被kill掉），在上面切换日志我标注红方框的地方已经很清楚了。此时，各个DataNode还是会同时向Active NameNode和StandBy NameNode同时发送心跳信息的，因为nn1已经被kill掉了，所有会报这个信息，对系统没有任何影响，切换后正常使用，如果你重启nn1则不会再报信息了，新启动的nn1是处于StandBy模式的。

    我们知道，StandByNameNode是不处理DataNode的RPC请求的，那么各个DataNode为什么还会同时向Active NameNode和StandBy NameNode同时发送心跳呢？这是因为这2个心跳的用途是不同的，各个DataNode向Active NameNode发送心跳主要是汇报数据块的状态信息，而向StandBy NameNode发心跳的主要目的是通知StandBy NameNode告诉它Active NameNode元数据发生了改变，要求StandBy NameNode去QJM区下载更改过的Edit Log信息。


3.5、配置自动切换模式

自动切换模式的实现需要下面两个组建的额支持：

（1）      Zookeeper实例

需要质数个Zookeeper实例，在本集群我一个启用了3个Zookeeper实例，分别部署在hadoop-slave02、hadoop-slave03、hadoop-slave04中。

（2）      ZKFailoverController（简称“ZKFC”）

ZKFC 是一个 Zookeeper客户端，负责监控和管理 NameNode 的状态，每台运行 NameNode的机器上也会运行一个 ZKFC 进程。

  • 健康状况监控：

ZKFC 周期性地与本地的NameNode 交互，执行一些健康状况监测命令。

  • Zookeeper session 管理：

如果本地 NameNode 是健康的，则会持有Zookeeper 上一个 znode，如果它是 Active 的，会持有 zookeeper 的仅有的一个特殊 znode，该 znode 类型为 ephemeral，一旦 namenode 挂掉后，会自动消失。

  • 基于 zookeeper 的选举：

如果本地 NameNode 是活的，而没有其他 Namenode持有特殊的 znode，ZKFC 将尝试获取这个 znode，一旦获取成功后，则认为它“赢得了选举”，进而隔离之前的Active namenode，自己转换为新的 Active namenode。其大概结构如下图：

具体配置步骤：

步骤1：关闭集群修改hdfs-site.xml配置文件，增加自动切换选项：

<property>

    <name>dfs.ha.automatic-failover.enabled</name>

    <value>true</value>

</property>

步骤2：编辑core-site.xml文件，添加Zookeeper实例：

<property>

    <name>ha.zookeeper.quorum</name>

    <value>hadoop-slave02:2181,hadoop-slave03:2181,hadoop-slave04:2181</value>

</property>

步骤3：启动节点上的zookeeper实例：

分别进入hadoop-slave02、hadoop-slave03、hadoop-slave04节点执行：

$ZOOKEEPER_HOME/bin/zkServer.sh start

Zookeeper实例对应的进程名为：

步骤4：初始化zookeeper。

注意：这个步骤是针对第一次启动zookeeper实例用的，如果你的zookeeper实例不是第一次启动则不需要执行此命令。

$HADOOP_HOME/bin/hdfs zkfc -formatZK

步骤5：启动 JournalNode、NameNode 和 DataNode。

步骤6：启动ZKFC。

分别进入hadoop-master和hadoop-slave1即在各个 NameNode 节点上执行：

$HADOOP_HOME/sbin/hadoop-daemon.sh startzkfc

ZKFC对应的进程名为：

要注意的一点是：我们最先启动的NameNode为Active NameNode。现在为止配置完毕，验证请看下面一小节。

4、 HDFS HA机制的可用性验证

4.1手动切换模式验证

这里我使用的验证方法主要是模拟ActiveNameNode进程死掉的情况，另外Active NameNode所在节点发生宕机的情况也是一样的。现在集群中nn1为Active NameNode，nn2为StandBy NameNode，具体步骤：

步骤1：进入nn1所在节点即hadoop-master，运行kill -9  $NameNodePID将nn1杀死（此时集群中只有一个StandByNameNode）。

步骤2：往集群上传文件,或者执行hadoop fs相关命令提示连接不到（此时，集群中没有Active NameNode来处理客户端的RPC请求）。看错误信息：



步骤3：恢复集群，将StandBy NameNode转换为Active NameNode。进入nn2所在节点即hadoop-slave01执行：

$HADOOP_HOME/bin/hdfshaadmin -transitionToActive nn2

此时，nn2已经变成为Active NameNode，看50070：

步骤4：再次执行hadoop fs相关命令或者上传文件，一切正常。

步骤5：另外，不要忘记集群虽然是恢复了，但是此时已经没有了StandBy NameNode了，这是直接进入nn1所在节点启动NameNode进程，此时nn1为Standby NameNode。

当目前为止，一起验证以及恢复已经完成。各个服务的日志也恢复了正常。


4.2、自动切换模式验证

自动切换模式的验证和手动切换基本一样，还是手动kill掉Active NameNode进程，观察集群是否会自动恢复，将备用节点转换为Active NameNode。经过测试，当手动kill掉Active NameNode后，Standby NameNode成功地自动转换为Active NameNode继续服务于个个DataNode。


参考文献：

[1] http://hadoop.apache.org/docs/r2.2.0/hadoop-yarn/hadoop-yarn-site/HDFSHighAvailabilityWithQJM.html

[2] http://www.sizeofvoid.net/hadoop-2-0-namenode-ha-federation-practice-zh/

[3] http://yanbohappy.sinaapp.com/?p=205

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