58同城Hadoop2.6升级3.2实践
导读
Hadoop3已经发布了多个稳定版本，最新版本为3.3.0，Hadoop3.x中增加了很多特性和重大改进。在HDFS方面，最主要是EC能力成熟，显著降低HDFS数据存储成本。在Yarn层面，支持多集群Federation，可以有效利用多YARN集群空闲资源，达到降本增效的目标。此外，还有大量其他新的特性，有效提高集群的稳定性及效率，降低运营成本。
升级背景
HDFS升级
从2020年初开始，我们就开始推进HDFS的版本升级，并在2020年第二季度，在完成调研、代码整合和兼容性测试后，我们将HDFS从2.6.0-cdh5.4.4升级到了3.2.1。由于我们没有用来升级过渡的小集群，最终直接将我们的离线大集群（5000+规模）HDFS升级到了3.2.1。
1、升级梳理
由于我们的现网Hadoop版本为2.6.0，和3.2.1版本之间存在较大的差距，升级HDFS存在较多的未知风险，需要调研梳理的工作比较多，我们从以下5个方面进行了重点梳理：
① NN元数据兼容：保证升级过程中，如果主服务升级失败后可以降级到旧版本，这里的元数据包括FSImage和EditLog。为了解决2.6.0到3.2.1的元数据兼容性问题，我们回滚了HDFS-14831中描述的问题。
② DN布局版本兼容：新旧版本DN之间布局版本不能有太大变化，需要保持兼容，这样才能保证DN在升级时如果遇到问题还能降级回旧版本。但是从2.6.0到3.2.1，DN上的数据块存储目录结构发生变化，从256x256变成了32x32个目录，以解决DN在Ext4文件系统中用256x256个目录存储数据块的性能问题。为了兼容，我们回滚了这个提交。
③Client接口兼容：由于HDFS被太多的组件（MR/Spark/Flink/Kylin/Flume/Druid等）使用，要同步升级每个组件的HDFS Client有太多工作要做，我们最终只选择升级HDFS 后端服务，包括NN/JN/ZKFC/DN。所以需要保证2.6.0的客户端可以正常访问3.x的NN和DN服务。经过梳理测试，2.6.0版本的客户端访问3.2.1版本的服务端是完全兼容的。
④ 后端交互接口兼容：在升级过程中存在新旧NN/新旧JN/新旧ZKFC/新旧DN等中间状态，这就要保证新旧版本服务之间接口要兼容。经过测试，后端服务的交互接口都是兼容的。
⑤ 简单高效的升级流程：跨大版本升级也尽可能做到和小版本升级一样的简单，方便运维操作。梳理了HDFS自带的滚动升级流程，发现有一些不方便的地方，比如滚动升级期间会生成一个回滚的FSImage文件，DN端保存删除的数据块等，我们对HDFS自带的滚动升级流程进行了改造，使得HDFS从2.6.0到3.2.1的跨大版本升级流程可以和我们之前在2.6.0的小版本升级一样简单可控。
2、代码整合
在Hadoop 2.6.0版本中，我们针对HDFS开发了很多的特性，包括安全体系、NN性能优化，DN IO优化及定制化issue等，我们将这些定制的特性全部整合到了3.2.1版本中。
3、测试
由于HDFS跨大版本升级存在较大的难度和风险性，我们进行了尽可能全面的测试，包括：
① Client接口兼容性测试：包括现网全类型任务、全量SQL，以及部分业务核心任务测试；
② 滚动升级测试：进行多次滚动升级测试，保证了滚动升/降级中新旧版本NN元数据的兼容性、新旧DN布局版本的兼容性、以及后端服务接口在不同状态的兼容性；
③、3.2.1 NN性能测试：在测试环境保持现网配置和现网集群元数据压力情况下，3.2.1版本的NN读写元数据性能可以达到现网性能要求，保证了升级后NN性能不会成为瓶颈。
4、上线
我们的HDFS升级分为成了两个阶段：
① 主节点升级阶段：
升级流程为：JN-->NN-->ZKFC，4组NS升级花了1周多时间，升级整体相对顺利。
② DN升级阶段：
在主节点升级完成后，我们在一个月内完成了5000+ DN节点的升级。
由于我们简化了滚动升级流程，不需要太多的运维介入操作，使得我们的升级更加简单顺利。
在HDFS升级到3.2.1后，我们落地了新版本中的两个重大特性：RBF和EC，并都取得了很好的效果，接下来我们会重点介绍。
5、ViewFS切换到RBF
在Hadoop2.6.0版本中，我们使用基于客户端的ViewFS路由来实现多NS的访问，但是随着业务增长，集群规模越来越大，NS越拆越多，基于客户端ViewFS的方式存在以下几个明显缺点：
① 挂载表信息非集中式管理，变更维护时很难保证客户端的一致性②、挂载表信息变更时，部分依赖服务需重启才能生效，变更代价大③、ViewFs挂载点不支持挂载到多个集群，在线跨集群迁移数据困难
ViewFS架构如下：
从Hadoop 2.9.0版本开始，社区提供了新的解决方案，即RBF，并在最新Hadoop 3.3.0发布版中变得稳定，RBF架构如下：
分析RBF的架构和原理，相对ViewFS存在的优势：
① 挂载表信息集中式管理，不存在不一致的情况
② 挂载表信息变更实时生效，对服务透明，不用重启服务
③ 挂载点支持挂载多个集群，数据跨集群在线迁移变得容易
④ 支持全局Quota，实现联邦模式下的全局Quota管理
想要切换到RBF，必须考虑我们的现网情况，社区并没有从ViewFS透明切换到RBF的解决方案，需要我们自己实现，我们从以下几个方面进行了优化：
(1)、用户透明访问RBF
为了实现用户访问透明的从ViewFS切换到RBF，我们自定义了两个类：ViewFsRedirectDistributedFileSystem.java类（继承DistributedFileSystem.java类）和ViewFsRedirectHdfs.java类（继承Hdfs.java类），保证了ViewFS请求透明切换到RBF，并通过配置让这两个类来生效：
(2)、自定义写集群策略
RBF其中一个强大能力是支持一个挂载点挂载到多个集群，这样使得业务数据能够跨集群存储和数据在线迁移，原生提供了多种写集群选择策略：
① RANDOM：随机选择
② LOCAL：本地优先选择
③ HASH_ALL：完全哈希方式选择
④ HASH：局部哈希方式选择
⑤ SPACE：基于可用空间选择
但是以上策略都不能满足我们现网和未来数据迁移的需求，所以我们自定义了两个策略：
① FIRST：挂载点挂载多个集群时，新数据写到第一个集群，数据同时从两个集群访问
② LAST：挂载点挂载多个集群时，新数据写到最后一个集群，数据同时从两个集群访问
(3)、重点业务访问隔离
对重点业务我们需要做到访问隔离，在切换到RBF后，对所有联邦子集群的HDFS访问请求都会经过Router转发，如果某个子集群响应变慢，进而反压到Router端，会导致通过Router访问其他子集群的请求也受到影响，这增加了上线RBF的风险，我们针对这个风险点也做了一些工作，包括：
① 分组管理Router：重点业务使用单独的一组Router，在客户端将重点业务的HDFS请求自动转换到单独的一组Router。
客户端配置：
通过以上配置就可以将某个业务对子集群ns1/ns2/ns3，以及默认rbf-ns的请求切换到rbf-x-ns了，rbf-x-ns对应的Router为单独的一组Router。
② 对Router服务进行改造，实现和FCQ类似的功能，参考：HDFS-14090
(4)、其他优化
除了以上三点优化外，我们还对3.2.1版本的RBF进行了若干的优化和BUG修复，包括：
① 修复服务认证访问失败BUG
② 修复Router不能递客户端IP到NN的BUG（HDFS-16254）
③ 修复通过Router访问NN，导致NN白名单机制失效BUG
④ 修复通过Router来创建目录，出现目录权限有误的BUG
⑤ 挂载表修改时即时更新所有Router（HDFS-13443）
⑥ 安全模式下拒绝读请求
⑦ 去掉getDataNodeReport请求：避免对NN造成较大压力
⑧ 修复UI错误的统计信息等
6、EC落地
社区对EC的开发分为两个阶段，第一阶段支持条形布局，以更友好的支持小文件的EC转换，第二阶段支持连续布局。目前第一阶段的功能已经可用，第二阶段还处于规划阶段。我们基于条形布局来落地EC，基于条形布局的EC支持在线文件转换，比如对新写入文件直接转换为EC模式，也支持离线转换，但是考虑到读取EC数据时会有大量的跨节点带宽和EC数据损坏恢复时会消耗更多CPU，我们只使用了离线EC转换方式，也就是只对冷数据进行EC转换。
为了落地EC，我们做了以下几项准备工作：
(1)、客户端支持EC数据读/写
在落地EC时，我们的Hadoop客户端和Yarn集群都是2.6.0版本，需要改造HDFS客户端以支持EC数据读/写。
(2)、distcp支持EC数据转换
EC一期的实现是基于条形布局的，普通数据块转换为EC模式，需要进行一次数据拷贝，为了快速高效进行数据EC模式转换，我们改造了distcp的实现。
(3)、EC文件检验和支持
Hadoop 2.6.0版本中没有实现普通文件和EC文件的校验和验证方式，但是数据作为公司最重要的资产，我们在对普通文件转EC时，必须要进行转换文件的校验，以免EC后的数据存在问题。我们使用了社区中HDFS-13056实现的COMPOSITE_CRC方式来对EC模式文件和原文件进行校验和验证，从而来保证EC数据的正确性。
(4)、EC自动转换管理平台
我们开发了冷数据自动转换EC的管理平台，实现冷数据自动识别和自动执行转换为EC模式文件。
EC落地效果：
历史累计冷数据：50P，EC转换后为25P，节省存储空间25P；
每季新增冷数据：5P，EC转换后为2.5P，每季度可节省存储空间2.5P。
说明：我们冷数据定义为1年以上未访问的数据。
Yarn升级
由于是跨大版本升级，技术挑战大，存在很多未知风险，我们希望严格遵循以下几个原则来进行相关Yarn升级准备工作：
① 对业务完全透明：升级不影响用户现有任务，不影响用户提交新任务；
② 兼容所有计算框架：升级保证现有计算框架都能准确执行；
③ 支持滚动升级/降级：升级有问题，相关服务可以从3.2.1版本降级到2.6.0版本。
以下是Yarn个组件的简单架构图：
1、升级梳理
我们按以上5个方面对Yarn升级进行了梳理，保证Yarn升级工作的全面性和准确性。以降低升级风险。
①、RM状态数据兼容
Yarn本身有一些状态数据，比如app及其相关的attempt信息、token信息、标签和container等信息，状态信息RM端是存储到ZK中的，NM是存储到本地的LevelDB中的，我们升级时要求做到能升级还能降级，所以升级时旧版本状态能否被新版本RM/NM准确识别，降级时新版本RM/NM生成的状态能否被旧版本RM/NM准确识别就至关重要了。Yarn的状态数据兼容要考虑两个方面：数据结构，存储方式（组织方式）。
梳理RM状态对应的协议发现，3.2.1新增了很多信息，但是在ProtocolBuffer层面都做了兼容。但是RM状态在ZK中的存储方式发生了变化，3.x版本中app和token状态信息在ZK中使用了更深节点层级关系来存储，社区对应issue为YARN-2962和YARN-7262，为了向前兼容，需要设置参数yarn.resourcemanager.zk-appid-node.split-index和yarn.resourcemanager.zk-delegation-token-node.split-index为0来关闭该功能，好在这两个参数默认值都为0，不需要特殊设置。
② NM状态数据兼容
NM中的状态数据以ProtocolBuffer的形式存储到本地的LevelDB中的，3.2.1新增了很多信息，但是在ProtocolBuffer层面也做了兼容。不过由于3.2.1版本NM新增的状态信息，在回滚到2.6.0时会出现NM不识别的key，报错如下：
这部分需要从代码层面做一下兼容，我们修改代码将3.2.1 NM新增的状态信息不保存到LevelDB中，并通过开关控制，这样就避免了该问题，待NM都滚动升级到3.2.1版本并稳定后，再打开开关保存新增状态。
③ Client接口兼容
考虑到客户端的复杂性，升级Yarn时，我们也只会升级Yarn的服务端，客户端还是保留为2.6.0版本。所以需要保证2.6.0的客户端可以正常访问3.2.1的Yarn后端服务。经过梳理和测试，2.6.0版本的客户端访问3.2.1版本的Yarn服务端是完全兼容的。
④ 后端交互接口兼容
在升级过程中存在新旧RM/新旧NM等中间状态，这就要保证新旧版本服务之间接口兼容。经过测试，后端服务的交互接口都是兼容的。不过2.8.0版本中NM新增了一个注销接口，在停止NM进程时，会导致NM本地的任务也被停掉，该功能是在YARN-41引入的，需要通过配置yarn.nodemanager.recovery.enabled=true和yarn.nodemanager.recovery.supervised=true来避免触发NM的停止注销。
同时从2.8.0版本开始，CGroup在计算NM可用内核数时，默认计算的是物理核数，而非按超线程数计算，出现可用核数偏少，导致任务执行时不能充分利用CPU资源，任务执行会变慢，对应为YARN-160，需要将参数yarn.nodemanager.resource.count-logical-processors-as-cores设置为true，这样才能按逻辑内核计算，也就是按超线程来计算NM可用内核数。
同时从YARN-668开始，Yarn相关Token的序列化反序列化开始支持ProtocolBuffer，NM从2.6.0滚动升级到3.2.1过程中，会出现兼容性问题，需要回滚该issue的修改，才能保持兼容。
⑤ MR接口兼容
梳理了MR相关的接口，大部分都是兼容的，但是TaskUmbilicalProtocol协议接口存在兼容性问题，该接口是Map/Reduce子任务和MRAppMaster进程的通信接口，该通信接口的协议基于Writable实现，在滚动升级NM期间，MR的任务在3.2.1版本和2.6.0版本之间通信时存在兼容性问题。如果从服务端做兼容需要进行一次集群升级，而且存在不可控风险，我们最终通过修改Hadoop 2.6.0客户端来保证MR任务classpath在集群中的一致性来解决该问题。
对应fad9d7e85b1ba0934ab592daa9d3c9550b2bb501提交和YARN-41中，RM新增了两种NM状态：NS_DECOMMISSIONING/NS_SHUTDOWN，用于维护NM的下线和停止注销状态，这两个状态在RM和MR的MRAppMaster心跳交互时会下发到MRAppMaster端，之前为了解决NM滚动升级期间MR接口兼容问题，我们的MR任务在NM上用的都是2.6.0版本的jar包，导致NM新增的两种状态不能被识别，如果NM出现下线和停止注销的情况，MR任务的MRAppMaster会出现空指针异常并进行任务重试，导致任务重新调度，为了解决这个问题，我们修改了RM端代码，暂时不下发这两种新增的NM状态信息。
2、代码整合
在Hadoop 2.6.0版本中，我们针对Yarn进行了很多的优化和改进，包括公平调度的性能优化、公平调度支持标签、调度吞吐CPS指标、任务失败诊断、坏盘检查、任务优先级等，我们将这些重要patch迁移到了3.2.1版本。
3、测试
Yarn跨大版本升级存在较大的难度和风险性，虽然进行了全面的梳理，但是也需要进行尽可能全面的测试，测试内容包括：
① 计算框架测试：在客户端为2.6.0版本，Yarn服务端为3.2.1版本情况下，MR/Hive/Spark/Flink，经过测试都是可以正常执行的。
② 自研框架测试：我们对公司其他团队自研计算框架也进行了兼容测试，发现存在一些问题，大都在Yarn侧修改兼容，部分需要业务侧调整的，也推进业务进行了调整。
③ 滚动升级测试：由于我们是从2.6.0版本滚动升级到3.2.1，NM节点会同时存在两个不同的版本，所以需要重点测试NM滚动升级过程中各个计算框架的兼容性。经过测试发现MR/Hive/Spark/Flink都可以正常执行。
④ 调度性能测试：RM的调度性能至关重要，我们将2.6.0版本中的多个调度性能优化点迁移到了3.2.1版本，保证了3.2.1版本RM的调度性能不会低于2.6.0版本的性能。并经过压测后发现调度性能相比2.6.0有比较大的提升。
4、上线
我们的Yarn集群升级也分为成了两个阶段：
① 主节点升级阶段：
我们先将3个离线集群的RM升级到了3.2.1，到目前已经稳定运行了一段时间。
② NM升级阶段：
目前已经将其中一个近千个节点Yarn集群的NM升级到了3.2.1，其他集群正在灰度中。
MR3升级
MR在3.x版本有很多重大的改进，比如NativeTask，FileOutputCommitter优化等，可以有效提升MR的执行性能。但我们发现要直接使用MR3也存在一些问题。
1、NativeTask不支持Hive任务的序列号/反序列化
由于历史原因，我们集群中很大一部分还是Hive任务，为了利用上MR3的NativeTask特性，NativeTask需要支持Hive的序列号/反序列化，为此我们自定义了HivePlatform类来支持，并且修改了相关的本地库代码。
2、MR3透明升级
为了可以及时利用上MR3的各种重大特性和改进，我们希望在Yarn服务端没有完全升级到3.2.1版本的情况下也能用上线MR3，基于这个想法，我们采用了和前面滚动升级NM期间MR解决兼容类似的解决方案，在Hadoop 2.6.0客户端实现将MR3相关的jar包作为classpath在NM中执行，同时将NativeTask中的本地库以分布式缓存方式传递到NM端来实现MR3启用NativeTask特性。
通过我们测试对比，基于MR3（开启NativeTask）Hive SQL，平均性能比基于MR2提升了15%以上。
展望未来
在完成HDFS架构升级到3.2.1后，我们已经成功落地了RBF和EC，并且取得了很好的效果，今年在逐步完成Yarn架构升级后，我们将基于HDFS的内核改造和Yarn的Federation特性来落地Hadoop单集群的跨机房部署，我们也将在未来一段时间逐步开启Hadoop 3.x版本HDFS和Yarn的更多重大特性，享受Hadoop架构升级带来的好处，为公司各业务部门提供更加高效的离线数据存储和资源调度平台，达到降本增效的目标。
良均，鹤铭，丹琦，家成，数据平台部Hadoop方向研发工程师。
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