基於 ZooKeeper 搭建 Hadoop 高可用叢集

單人影發表於2019-06-25

一、高可用簡介

Hadoop 高可用 (High Availability) 分為 HDFS 高可用和 YARN 高可用，兩者的實現基本類似，但 HDFS NameNode 對資料儲存及其一致性的要求比 YARN ResourceManger 高得多，所以它的實現也更加複雜，故下面先進行講解：

1.1 高可用整體架構

HDFS 高可用架構如下：

圖片引用自：https://www.edureka.co/blog/how-to-set-up-hadoop-cluster-with-hdfs-high-availability/

HDFS 高可用架構主要由以下元件所構成：

Active NameNode 和 Standby NameNode：兩臺 NameNode 形成互備，一臺處於 Active 狀態，為主 NameNode，另外一臺處於 Standby 狀態，為備 NameNode，只有主 NameNode 才能對外提供讀寫服務。
主備切換控制器 ZKFailoverController：ZKFailoverController 作為獨立的程式執行，對 NameNode 的主備切換進行總體控制。ZKFailoverController 能及時檢測到 NameNode 的健康狀況，在主 NameNode 故障時藉助 Zookeeper 實現自動的主備選舉和切換，當然 NameNode 目前也支援不依賴於 Zookeeper 的手動主備切換。
Zookeeper 叢集：為主備切換控制器提供主備選舉支援。
共享儲存系統：共享儲存系統是實現 NameNode 的高可用最為關鍵的部分，共享儲存系統儲存了 NameNode 在執行過程中所產生的 HDFS 的後設資料。主 NameNode 和 NameNode 通過共享儲存系統實現後設資料同步。在進行主備切換的時候，新的主 NameNode 在確認後設資料完全同步之後才能繼續對外提供服務。
DataNode 節點：除了通過共享儲存系統共享 HDFS 的後設資料資訊之外，主 NameNode 和備 NameNode 還需要共享 HDFS 的資料塊和 DataNode 之間的對映關係。DataNode 會同時向主 NameNode 和備 NameNode 上報資料塊的位置資訊。

1.2 基於 QJM 的共享儲存系統的資料同步機制分析

目前 Hadoop 支援使用 Quorum Journal Manager (QJM) 或 Network File System (NFS) 作為共享的儲存系統，這裡以 QJM 叢集為例進行說明：Active NameNode 首先把 EditLog 提交到 JournalNode 叢集，然後 Standby NameNode 再從 JournalNode 叢集定時同步 EditLog，當 Active NameNode 當機後， Standby NameNode 在確認後設資料完全同步之後就可以對外提供服務。

需要說明的是向 JournalNode 叢集寫入 EditLog 是遵循 “過半寫入則成功” 的策略，所以你至少要有3個 JournalNode 節點，當然你也可以繼續增加節點數量，但是應該保證節點總數是奇數。同時如果有 2N+1 臺 JournalNode，那麼根據過半寫的原則，最多可以容忍有 N 臺 JournalNode 節點掛掉。

1.3 NameNode 主備切換

NameNode 實現主備切換的流程下圖所示：

HealthMonitor 初始化完成之後會啟動內部的執行緒來定時呼叫對應 NameNode 的 HAServiceProtocol RPC 介面的方法，對 NameNode 的健康狀態進行檢測。
HealthMonitor 如果檢測到 NameNode 的健康狀態發生變化，會回撥 ZKFailoverController 註冊的相應方法進行處理。
如果 ZKFailoverController 判斷需要進行主備切換，會首先使用 ActiveStandbyElector 來進行自動的主備選舉。
ActiveStandbyElector 與 Zookeeper 進行互動完成自動的主備選舉。
ActiveStandbyElector 在主備選舉完成後，會回撥 ZKFailoverController 的相應方法來通知當前的 NameNode 成為主 NameNode 或備 NameNode。
ZKFailoverController 呼叫對應 NameNode 的 HAServiceProtocol RPC 介面的方法將 NameNode 轉換為 Active 狀態或 Standby 狀態。

1.4 YARN高可用

YARN ResourceManager 的高可用與 HDFS NameNode 的高可用類似，但是 ResourceManager 不像 NameNode ，沒有那麼多的後設資料資訊需要維護，所以它的狀態資訊可以直接寫到 Zookeeper 上，並依賴 Zookeeper 來進行主備選舉。

二、叢集規劃

按照高可用的設計目標：需要保證至少有兩個 NameNode (一主一備) 和兩個 ResourceManager (一主一備) ，同時為滿足“過半寫入則成功”的原則，需要至少要有3個 JournalNode 節點。這裡使用三臺主機進行搭建，叢集規劃如下：

三、前置條件

所有伺服器都安裝有JDK，安裝步驟可以參見：Linux下JDK的安裝；
搭建好ZooKeeper叢集，搭建步驟可以參見：Zookeeper單機環境和叢集環境搭建
所有伺服器之間都配置好SSH免密登入。

四、叢集配置

4.1 下載並解壓

下載Hadoop。這裡我下載的是CDH版本Hadoop，下載地址為：http://archive.cloudera.com/cdh5/cdh/5/

# tar -zvxf hadoop-2.6.0-cdh5.15.2.tar.gz

4.2 配置環境變數

編輯profile檔案：

# vim /etc/profile

增加如下配置：

export HADOOP_HOME=/usr/app/hadoop-2.6.0-cdh5.15.2
export  PATH=${HADOOP_HOME}/bin:$PATH

執行source命令，使得配置立即生效：

# source /etc/profile

4.3 修改配置

進入${HADOOP_HOME}/etc/hadoop目錄下，修改配置檔案。各個配置檔案內容如下：

1. hadoop-env.sh

# 指定JDK的安裝位置
export JAVA_HOME=/usr/java/jdk1.8.0_201/

2. core-site.xml

<configuration>
    <property>
        <!-- 指定namenode的hdfs協議檔案系統的通訊地址 -->
        <name>fs.defaultFS</name>
        <value>hdfs://hadoop001:8020</value>
    </property>
    <property>
        <!-- 指定hadoop叢集儲存臨時檔案的目錄 -->
        <name>hadoop.tmp.dir</name>
        <value>/home/hadoop/tmp</value>
    </property>
    <property>
        <!-- ZooKeeper叢集的地址 -->
        <name>ha.zookeeper.quorum</name>
        <value>hadoop001:2181,hadoop002:2181,hadoop002:2181</value>
    </property>
    <property>
        <!-- ZKFC連線到ZooKeeper超時時長 -->
        <name>ha.zookeeper.session-timeout.ms</name>
        <value>10000</value>
    </property>
</configuration>

3. hdfs-site.xml

<configuration>
    <property>
        <!-- 指定HDFS副本的數量 -->
        <name>dfs.replication</name>
        <value>3</value>
    </property>
    <property>
        <!-- namenode節點資料（即後設資料）的存放位置，可以指定多個目錄實現容錯，多個目錄用逗號分隔 -->
        <name>dfs.namenode.name.dir</name>
        <value>/home/hadoop/namenode/data</value>
    </property>
    <property>
        <!-- datanode節點資料（即資料塊）的存放位置 -->
        <name>dfs.datanode.data.dir</name>
        <value>/home/hadoop/datanode/data</value>
    </property>
    <property>
        <!-- 叢集服務的邏輯名稱 -->
        <name>dfs.nameservices</name>
        <value>mycluster</value>
    </property>
    <property>
        <!-- NameNode ID列表-->
        <name>dfs.ha.namenodes.mycluster</name>
        <value>nn1,nn2</value>
    </property>
    <property>
        <!-- nn1的RPC通訊地址 -->
        <name>dfs.namenode.rpc-address.mycluster.nn1</name>
        <value>hadoop001:8020</value>
    </property>
    <property>
        <!-- nn2的RPC通訊地址 -->
        <name>dfs.namenode.rpc-address.mycluster.nn2</name>
        <value>hadoop002:8020</value>
    </property>
    <property>
        <!-- nn1的http通訊地址 -->
        <name>dfs.namenode.http-address.mycluster.nn1</name>
        <value>hadoop001:50070</value>
    </property>
    <property>
        <!-- nn2的http通訊地址 -->
        <name>dfs.namenode.http-address.mycluster.nn2</name>
        <value>hadoop002:50070</value>
    </property>
    <property>
        <!-- NameNode後設資料在JournalNode上的共享儲存目錄 -->
        <name>dfs.namenode.shared.edits.dir</name>
        <value>qjournal://hadoop001:8485;hadoop002:8485;hadoop003:8485/mycluster</value>
    </property>
    <property>
        <!-- Journal Edit Files的儲存目錄 -->
        <name>dfs.journalnode.edits.dir</name>
        <value>/home/hadoop/journalnode/data</value>
    </property>
    <property>
        <!-- 配置隔離機制，確保在任何給定時間只有一個NameNode處於活動狀態 -->
        <name>dfs.ha.fencing.methods</name>
        <value>sshfence</value>
    </property>
    <property>
        <!-- 使用sshfence機制時需要ssh免密登入 -->
        <name>dfs.ha.fencing.ssh.private-key-files</name>
        <value>/root/.ssh/id_rsa</value>
    </property>
    <property>
        <!-- SSH超時時間 -->
        <name>dfs.ha.fencing.ssh.connect-timeout</name>
        <value>30000</value>
    </property>
    <property>
        <!-- 訪問代理類，用於確定當前處於Active狀態的NameNode -->
        <name>dfs.client.failover.proxy.provider.mycluster</name>
        <value>org.apache.hadoop.hdfs.server.namenode.ha.ConfiguredFailoverProxyProvider</value>
    </property>
    <property>
        <!-- 開啟故障自動轉移 -->
        <name>dfs.ha.automatic-failover.enabled</name>
        <value>true</value>
    </property>
</configuration>

4. yarn-site.xml

<configuration>
    <property>
        <!--配置NodeManager上執行的附屬服務。需要配置成mapreduce_shuffle後才可以在Yarn上執行MapReduce程式。-->
        <name>yarn.nodemanager.aux-services</name>
        <value>mapreduce_shuffle</value>
    </property>
    <property>
        <!-- 是否啟用日誌聚合(可選) -->
        <name>yarn.log-aggregation-enable</name>
        <value>true</value>
    </property>
    <property>
        <!-- 聚合日誌的儲存時間(可選) -->
        <name>yarn.log-aggregation.retain-seconds</name>
        <value>86400</value>
    </property>
    <property>
        <!-- 啟用RM HA -->
        <name>yarn.resourcemanager.ha.enabled</name>
        <value>true</value>
    </property>
    <property>
        <!-- RM叢集標識 -->
        <name>yarn.resourcemanager.cluster-id</name>
        <value>my-yarn-cluster</value>
    </property>
    <property>
        <!-- RM的邏輯ID列表 -->
        <name>yarn.resourcemanager.ha.rm-ids</name>
        <value>rm1,rm2</value>
    </property>
    <property>
        <!-- RM1的服務地址 -->
        <name>yarn.resourcemanager.hostname.rm1</name>
        <value>hadoop002</value>
    </property>
    <property>
        <!-- RM2的服務地址 -->
        <name>yarn.resourcemanager.hostname.rm2</name>
        <value>hadoop003</value>
    </property>
    <property>
        <!-- RM1 Web應用程式的地址 -->
        <name>yarn.resourcemanager.webapp.address.rm1</name>
        <value>hadoop002:8088</value>
    </property>
    <property>
        <!-- RM2 Web應用程式的地址 -->
        <name>yarn.resourcemanager.webapp.address.rm2</name>
        <value>hadoop003:8088</value>
    </property>
    <property>
        <!-- ZooKeeper叢集的地址 -->
        <name>yarn.resourcemanager.zk-address</name>
        <value>hadoop001:2181,hadoop002:2181,hadoop003:2181</value>
    </property>
    <property>
        <!-- 啟用自動恢復 -->
        <name>yarn.resourcemanager.recovery.enabled</name>
        <value>true</value>
    </property>
    <property>
        <!-- 用於進行持久化儲存的類 -->
        <name>yarn.resourcemanager.store.class</name>
        <value>org.apache.hadoop.yarn.server.resourcemanager.recovery.ZKRMStateStore</value>
    </property>
</configuration>

5. mapred-site.xml

<configuration>
    <property>
        <!--指定mapreduce作業執行在yarn上-->
        <name>mapreduce.framework.name</name>
        <value>yarn</value>
    </property>
</configuration>

5. slaves

配置所有從屬節點的主機名或IP地址，每行一個。所有從屬節點上的DataNode服務和NodeManager服務都會被啟動。

hadoop001
hadoop002
hadoop003

4.4 分發程式

將Hadoop安裝包分發到其他兩臺伺服器，分發後建議在這兩臺伺服器上也配置一下Hadoop的環境變數。

# 將安裝包分發到hadoop002
scp -r /usr/app/hadoop-2.6.0-cdh5.15.2/  hadoop002:/usr/app/
# 將安裝包分發到hadoop003
scp -r /usr/app/hadoop-2.6.0-cdh5.15.2/  hadoop003:/usr/app/

五、啟動叢集

5.1 啟動ZooKeeper

分別到三臺伺服器上啟動ZooKeeper服務：

 zkServer.sh start

5.2 啟動Journalnode

分別到三臺伺服器的的${HADOOP_HOME}/sbin目錄下，啟動journalnode程式：

hadoop-daemon.sh start journalnode

5.3 初始化NameNode

在hadop001上執行NameNode初始化命令：

hdfs namenode -format

執行初始化命令後，需要將NameNode後設資料目錄的內容，複製到其他未格式化的NameNode上。後設資料儲存目錄就是我們在hdfs-site.xml中使用dfs.namenode.name.dir屬性指定的目錄。這裡我們需要將其複製到hadoop002上：

 scp -r /home/hadoop/namenode/data hadoop002:/home/hadoop/namenode/

5.4 初始化HA狀態

在任意一臺NameNode上使用以下命令來初始化ZooKeeper中的HA狀態：

hdfs zkfc -formatZK

5.5 啟動HDFS

進入到hadoop001的${HADOOP_HOME}/sbin目錄下，啟動HDFS。此時hadoop001和hadoop002上的NameNode服務，和三臺伺服器上的DataNode服務都會被啟動：

start-dfs.sh

5.6 啟動YARN

進入到hadoop002的${HADOOP_HOME}/sbin目錄下，啟動YARN。此時hadoop002上的ResourceManager服務，和三臺伺服器上的NodeManager服務都會被啟動：

start-yarn.sh

需要注意的是，這個時候hadoop003上的ResourceManager服務通常是沒有啟動的，需要手動啟動：

yarn-daemon.sh start resourcemanager

六、檢視叢集

6.1 檢視程式

成功啟動後，每臺伺服器上的程式應該如下：

[root@hadoop001 sbin]# jps
4512 DFSZKFailoverController
3714 JournalNode
4114 NameNode
3668 QuorumPeerMain
5012 DataNode
4639 NodeManager


[root@hadoop002 sbin]# jps
4499 ResourceManager
4595 NodeManager
3465 QuorumPeerMain
3705 NameNode
3915 DFSZKFailoverController
5211 DataNode
3533 JournalNode


[root@hadoop003 sbin]# jps
3491 JournalNode
3942 NodeManager
4102 ResourceManager
4201 DataNode
3435 QuorumPeerMain

6.2 檢視Web UI

HDFS和YARN的埠號分別為50070和8080，介面應該如下：

此時hadoop001上的NameNode處於可用狀態：

而hadoop002上的NameNode則處於備用狀態：

hadoop002上的ResourceManager處於可用狀態：

hadoop003上的ResourceManager則處於備用狀態：

同時介面上也有Journal Manager的相關資訊：

七、叢集的二次啟動

上面的叢集初次啟動涉及到一些必要初始化操作，所以過程略顯繁瑣。但是叢集一旦搭建好後，想要再次啟用它是比較方便的，步驟如下（首選需要確保ZooKeeper叢集已經啟動）：

在hadoop001啟動 HDFS，此時會啟動所有與 HDFS 高可用相關的服務，包括 NameNode，DataNode 和 JournalNode：

start-dfs.sh

在hadoop002啟動YARN：

start-yarn.sh

這個時候hadoop003上的ResourceManager服務通常還是沒有啟動的，需要手動啟動：

yarn-daemon.sh start resourcemanager

參考資料

以上搭建步驟主要參考自官方文件：

關於Hadoop高可用原理的詳細分析，推薦閱讀：

Hadoop NameNode 高可用 (High Availability) 實現解析

更多大資料系列文章可以參見個人 GitHub 開源專案：大資料入門指南

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