HDFS的高可用性

kujhg

通过联合使用在多个文件系统中备份namenode的元数据和通过备用namenode创建监测点能防止数据丢失，但是依旧无法实现文件系统的高可用性。Namenode 依旧存在单点失效(SPOF)的问题。如果namenode失效了，那么所有的客户端——包括MapReduce作业——均无法读、写或列 (list)文件，因为namenode是唯一存储元数据与文件到数据块映射的地方。在这一情况下，Hadoop系统无法提供服务直到有新的namenode上线。

在这样的情况下，要想从一个失效的namenode恢复，系统管理员得启动一个拥有文件系统元数据副本的新的namenode，并配置datanode和客户端以便使用这个新的namenode。新的namenode直到满足以下情形才能响应服务：1)将命名空间的映像导入内存中；2)重做编辑日志；3)接收到足够多的来自datanode的数据块报告并退出安全模式。对于一个大型并拥有大量文件和数据块的集群，namenode的冷启动需要30分钟，甚至更长时间。

系统恢复时间太长，也会影响到日常维护。事实上，namenode失效的可能性非常低，所以在实际应用中计划系统失效时间就显得尤为重要。

Hadoop的2.x发行版本系列针对上述问题在HDFS中增加了对高可用性(HA)的支持。在这一实现中，配置了一对活动-备用(active-standby) namenode。当活动namenode失效，备用namenode就会接管它的任务并开始服务于来自客户端的请求，不会有任何明显中断。实现这一目标需要在架构上做如下修改。

namenode之间需要通过高可用的共享存储实现编辑日志的共享。(在早期的高可用实现版本中，需要一个NFS过滤器来辅助实现，但是在后期版本中将提供更多的选择，比如构建于ZooKeeper之上的BookKeeper这样的系统。)当备用namenode接管工作之后，它将通读共享编辑日志直至末尾，以实现与活动namenode的状态同步，并继续读取由活动namenode写入的新条目。

datanode需要同时向两个namenode发送数据块处理报告，因为数据块的映射信息存储在namenode的内存中，而非磁盘。

客户端需要使用特定的机制来处理namenode的失效问题，这一机制对用户是透明的。

在活动namenode失效之后，备用namenode能够快速(几十秒的时间)实现任务接管，因为最新的状态存储在内存中：包括最新的编辑日志条目和最新的数据块映射信息。实际观察到的失效时间略长一点(需要1分钟左右)，这是因为系统需要保守确定活动namenode是否真的失效了。

在活动namenode失效且备用namenode也失效的情况下，当然这类情况发生的概率非常低，管理员依旧可以申明一个备用namenode并实现冷启动。这类情况并不会比非高可用(no-HA)的情况更差，并且从操作的角度讲这是一个进步，因为上述处理已是一个标准的处理过程并植入Hadoop中。

故障切换与规避

一个称为故障转移控制器(failover_controller)的系统中有一个新实体管理着将活动namenode转移为备用namenode的转换过程。故障转移控制器是可插拔的，但其最初的实现是基于ZooKeeper的并由此确保有且仅有一个活动namenode。每一个namenode运行着一个轻量级的故障转移控制器，其工作就是监视宿主namenode是否失效(通过一个简单的心跳机制实现)并在namenode失效时进行故障切换。

管理员也可以手动发起故障转移，例如在进行日常维护时。这称为“平稳的故障转移”，因为故障转移控制器可以组织两个namenode有序切换角色。

但在非平稳故障转移的情况下，无法确切知道失效namenode是否已经停止运行。例如，在网速非常慢或者网络被分割的情况下，同样也可能激发故障转移，但是先前的活动namenode依然运行着并且依旧是活动namenode。高可用实现做了更进一步的优化，以确保先前活动的namenode不会执行危害系统并导致系统崩溃的操作——该方法称为“规避”(fencing)。系统引入了一系列的规避机制，包括杀死namenode进程，收回访问共享存储目录的权限(通常使用供应商指定的NFS命令)，通过远程管理命令以屏蔽相应网络端口。诉诸的最后手段是，先前活动namenode可以通过一个相当形象的称为STONITH(shoot the other node in the head)的技术进行规避，该方法主要通过一个特定的供电单元对相应主机进行断电操作。

客户端的故障切换通过客户端类库实现透明处理。最简单的实现是通过客户端的配置文件实现故障切换的控制。HDFS URI使用一个逻辑主机名，该主机名映射到一对namenode地址(在配置文件中设置)，客户端类库会访问每一个namenode地址直至处理完成。