NameNode HA 背景

在Hadoop1中NameNode存在一个单点故障问题，如果NameNode所在的机器发生故障，整个集群就将不可用(Hadoop1中虽然有个SecorndaryNameNode，但是它并不是NameNode的备份，它只是NameNode的一个助理，协助NameNode工作，SecorndaryNameNode会对fsimage和edits文件进行合并，并推送给NameNode，防止因edits文件过大，导致NameNode重启变慢),这是Hadoop1的不可靠实现。

在Hadoop2中这个问题得以解决，Hadoop2中的高可靠性是指同时启动NameNode,其中一个处于active工作状态，另外一个处于随时待命standby状态。这样，当一个NameNode所在的服务器宕机时，可以在数据不丢失的情况下，手工或者自动切换到另一个NameNode提供服务。这些NameNode之间通过共享数据，保证数据的状态一致。多个NameNode之间共享数据，可以通过Network File System或者Quorum Journal Node。前者是通过Ｌinux共享的文件系统，属于操作系统的配置，后者是Ｈadoop自身的东西，属于软件的配置。

注意：

1) NameNode HA 与HDFS Federation都有多个NameNode，当NameNode作用不同，在HDFS Federation联邦机制中多个NameNode解决了内存受限问题，而在NameNode HA中多个NameNode解决了NameNode单点故障问题。
2) 在Hadoop2.x版本中，NameNode HA 支持2个节点，在Hadoop3.x版本中，NameNode高可用可以支持多台节点。

NameNode HA实现原理

NameNode中存储了HDFS中所有元数据信息（包括用户操作元数据和block元数据），在NameNode HA中，当Active NameNode(ANN)挂掉后，StandbyNameNode(SNN)要及时顶上，这就需要将所有的元数据同步到SNN节点。如向HDFS中写入一个文件时，如果元数据同步写入ANN和SNN，那么当SNN挂掉势必会影响ANN，所以元数据需要异步写入ANN和SNN中。如果某时刻ANN刚好挂掉，但却没有及时将元数据异步写入到SNN也会引起数据丢失，所以向SNN同步元数据需要引入第三方存储，在HA方案中叫做“共享存储”。每次向HDFS中写入文件时，需要将edits log同步写入共享存储，这个步骤成功才能认定写文件成功，然后SNN定期从共享存储中同步editslog，以便拥有完整元数据便于ANN挂掉后进行主备切换。

HDFS将Cloudera公司实现的QJM(Quorum Journal Manager)方案作为默认的共享存储实现。在QJM方案中注意如下几点：

* 基于QJM的共享存储系统主要用于保存Editslog,并不保存FSImage文件，FSImage文件还是在NameNode本地磁盘中。
* QJM共享存储采用多个称为JournalNode的节点组成的JournalNode集群来存储EditsLog。每个JournalNode保存同样的EditsLog副本。
* 每次NameNode写EditsLog时，除了向本地磁盘写入EditsLog外，也会并行的向JournalNode集群中每个JournalNode发送写请求，只要大多数的JournalNode节点返回成功就认为向JournalNode集群中写入EditsLog成功。
* 如果有2N+1台JournalNode，那么根据大多数的原则，最多可以容忍有N台JournalNode节点挂掉。

NameNode HA 实现原理图如下：

当客户端操作HDFS集群时，Active NameNode 首先把 EditLog 提交到 JournalNode 集群，然后 Standby NameNode 再从 JournalNode 集群定时同步 EditLog。当处 于 Standby 状态的 NameNode 转换为 Active 状态的时候，有可能上一个 Active NameNode 发生了异常退出，那么 JournalNode 集群中各个 JournalNode 上的 EditLog 就可能会处于不一致的状态，所以首先要做的事情就是让 JournalNode 集群中各个节点上的 EditLog 恢复为一致，然后Standby NameNode会从JournalNode集群中同步EditsLog，然后对外提供服务。

注意：在NameNode HA中不再需要SecondaryNameNode角色，该角色被StandbyNameNode替代。

通过Journal Node实现NameNode HA时，可以手动将Standby NameNode切换成Active NameNode，也可以通过自动方式实现NameNode切换。

上图需要手动进行切换StandbyNamenode为Active NameNode，对于高可用场景时效性较低，那么可以通过zookeeper进行协调自动实现NameNode HA，实现代码通过Zookeeper来检测Activate NameNode节点是否挂掉，如果挂掉立即将Standby NameNode切换成Active NameNode，这种方式也是生产环境中常用情况。其原理如下：

上图中引入了zookeeper作为分布式协调器来完成NameNode自动选主，以上各个角色解释如下：

* AcitveNameNode：主 NameNode，只有主NameNode才能对外提供读写服务。
* Secondby NameNode：备用NameNode，定时同步Journal集群中的editslog元数据。
* ZKFailoverController：ZKFailoverController 作为独立的进程运行，对 NameNode 的主备切换进行总体控制。ZKFailoverController 能及时检测到 NameNode 的健康状况，在主 NameNode 故障时借助 Zookeeper 实现自动的主备选举和切换。
* Zookeeper集群：分布式协调器，NameNode选主使用。
* Journal集群：Journal集群作为共享存储系统保存HDFS运行过程中的元数据，ANN和SNN通过Journal集群实现元数据同步。
* DataNode节点：除了通过共享存储系统共享 HDFS 的元数据信息之外，主 NameNode 和备 NameNode 还需要共享 HDFS 的数据块和 DataNode 之间的映射关系。DataNode 会同时向主 NameNode 和备 NameNode 上报数据块的位置信息。

NameNode主备切换流程

NameNode 主备切换主要由 ZKFailoverController、HealthMonitor 和 ActiveStandbyElector 这 3 个组件来协同实现：

* ZKFailoverController 作为 NameNode 机器上一个独立的进程启动 (在 hdfs 集群中进程名为 zkfc)，启动的时候会创建 HealthMonitor 和 ActiveStandbyElector 这两个主要的内部组件，ZKFailoverController 在创建 HealthMonitor 和 ActiveStandbyElector 的同时，也会向 HealthMonitor 和 ActiveStandbyElector 注册相应的回调方法。
* HealthMonitor 主要负责检测 NameNode 的健康状态，如果检测到 NameNode 的状态发生变化，会回调 ZKFailoverController 的相应方法进行自动的主备选举。
* ActiveStandbyElector 主要负责完成自动的主备选举，内部封装了 Zookeeper 的处理逻辑，一旦 Zookeeper 主备选举完成，会回调 ZKFailoverController 的相应方法来进行 NameNode 的主备状态切换。

NameNode主备切换流程如下:

1) HealthMonitor 初始化完成之后会启动内部的线程来定时调用对应 NameNode 的 HAServiceProtocol RPC 接口的方法，对 NameNode 的健康状态进行检测。
2) HealthMonitor 如果检测到 NameNode 的健康状态发生变化，会回调 ZKFailoverController 注册的相应方法进行处理。
3) 如果 ZKFailoverController 判断需要进行主备切换，会首先使用 ActiveStandbyElector 来进行自动的主备选举。
4) ActiveStandbyElector 与 Zookeeper 进行交互完成自动的主备选举。
5) ActiveStandbyElector 在主备选举完成后，会回调 ZKFailoverController 的相应方法来通知当前的 NameNode 成为主 NameNode 或备 NameNode。
6) ZKFailoverController 调用对应 NameNode 的 HAServiceProtocol RPC 接口的方法将 NameNode 转换为 Active 状态或 Standby 状态。

脑裂问题

当网络抖动时，ZKFC检测不到Active NameNode,此时认为NameNode挂掉了，因此将Standby NameNode切换成Active NameNode，而旧的Active NameNode由于网络抖动，接收不到zkfc的切换命令，此时两个NameNode都是Active状态，这就是脑裂问题。那么HDFS HA中如何防止脑裂问题的呢?

HDFS集群初始启动时，Namenode的主备选举是通过 ActiveStandbyElector 来完成的，ActiveStandbyElector 主要是利用了 Zookeeper 的写一致性和临时节点机制，具体的主备选举实现如下：

**1. 创建锁节点**

如果 HealthMonitor 检测到对应的 NameNode 的状态正常，那么表示这个 NameNode 有资格参加 Zookeeper 的主备选举。如果目前还没有进行过主备选举的话，那么相应的 ActiveStandbyElector 就会发起一次主备选举，尝试在 Zookeeper 上创建一个路径为/hadoop-ha/\${dfs.nameservices}/ActiveStandbyElectorLock 的临时节点 (\${dfs.nameservices} 为 Hadoop 的配置参数 dfs.nameservices 的值，下同)，Zookeeper 的写一致性会保证最终只会有一个 ActiveStandbyElector 创建成功，那么创建成功的 ActiveStandbyElector 对应的 NameNode 就会成为主 NameNode，ActiveStandbyElector 会回调 ZKFailoverController 的方法进一步将对应的 NameNode 切换为 Active 状态。而创建失败的 ActiveStandbyElector 对应的NameNode成为备用NameNode，ActiveStandbyElector 会回调 ZKFailoverController 的方法进一步将对应的 NameNode 切换为 Standby 状态。

**2. 注册 Watcher 监听**

不管创建/hadoop-ha/\${dfs.nameservices}/ActiveStandbyElectorLock