Tachyon框架的Worker心跳及Master高可用性分析

0 概述

分布式框架中的Master-Slave类型，Slave节点负责工作的具体执行，Master负责任务的分发或者相关元数据的存储等。一般情况下，一个Master节点都会对应多个Slave节点，Master在分配任务时需要知道当前有哪些Slave节点是可以接受自己所发的命令的(Slave节点有可能因为各种原因挂掉)，因此需要在其内部维持一个链表来保存所有还活着的Slave节点。HBase的HMaster是这样、HDFS的NameNode是这样、Tachyon的Master节点也是这样。Slave节点通过不断的心跳汇报(HeartBeat)来和Master通信，Master把收到心跳汇报的Slave节点看做是目前存活的，否则就说明Slave节点挂掉了。除了维持存活性以外，Master节点通常还会把需要执行的命令通过心跳返回给Slave节点，Slave节点接收到后执行Master发来的命令，完成一次交互。

Master是核心，它要是挂掉了对整个系统都是致命的影响，单点问题是每个分布式框架都要考虑的问题。应用和实现了Paxos算法的Zookeeper，是解决一致性问题的利器。HDFS、Storm、HBase等都采用Zookeeper作为元数据信息HA的载体，Tachyon也不例外。

1 Worker心跳

1.1 总体流程

Tachyon的Worker节点，通过不断心跳向Master汇报当前Worker中已使用的内存大小和准备删除的数据块信息，Master接受心跳汇报后返回给Worker节点相关的执行命令，这些命令可以是Register、Free等，也可以是Nothing。

其中，需要说明的地方如下：

(1)Worker心跳的时间间隔默认为1秒，由参数tachyon.worker.to.master.heartbeat.interval.ms设定。

(2)Worker心跳的超时时间默认为10秒，由参数tachyon.worker.heartbeat.timeout.ms设定。

(3)Master返回给Worker的命令主要有五种，分别是：Unknown、Nothing、Register、Free、Delete。Nothing命令什么都不做；Register命令执行Worker向Master的注册，Master会返回WorkerId存储在Worker本地；Free命令要释放Worker内存中存储的数据；Delete命令则既要删除内存中的数据也要删除磁盘上的数据。

(4)心跳的具体执行是调用的WorkerStorage的heartbeat方法。

(5)CheckStatus则会检查当前Worker节点所管理的内存使用情况。

1.2 HeartBeat正常处理

其中，需要说明的地方如下：

(1)首先获取所有需要从当前Worker节点的内存中移除的Block的信息，Block被移除一般有如下几种情况，当Master发来Free命令时、WorkerStorage初始化时、内存不够时需要使用LRU算法换入换出。

(2) 调用MasterClient的worker_heartbeat方法进行心跳汇报给Master，此处的MasterClient会通过MasterService.Client对象调用Master的Thrift服务进行消息传递，类似于HDFS中的RPC通信的动态代理。

(3)连接建立是调用的MasterClient类的connect方法，其主要目的是为了创建MasterService.client对象，即Thrift服务的客户端。步骤如下：

Step1：调用cleanConnect方法，主要是关闭thrift的transport端口、并且将当前的HeartbeatThread线程停止掉如果其对象不为null的话，则将mIsShutdown设置为true，并且会抛出TException。首次进行clean的话，几乎没有什么要做的事情。

Step2：clean之后，进入while循环，准备获取master地址进行建立连接，while循环的条件为tries ++ < MAX_CONNECT_TRY && !mIsShutdown，默认重试5次。

Step3：获取Master的当前地址，使用getMasterAddress方法，在ZK中查找leader目录下的所有节点，根据节点的创建时间，找到最新的那个节点作为当前需要连接的Active Master节点。

Step4：初始化Thrift客户端和服务端通信的协议，此处为TBinaryProtocol。

Step5：初始化Thrift客户端MasterService.Client对象。

Step6：打开协议的Transport，就是数据传输通道，准备进行读写，如果打开失败，则会抛出TTransportException，接着停止用于维持连接的心跳线程HeartbeatThread，并且sleep1秒钟后进入while的失败重试，达到失败次数上限，抛出TException。

Step7：初始化一个心跳线程HeartbeatThread，不断的和服务端进行心跳，超时时间为tachyon.user.master.client.timeout.ms配置的属性值，默认10秒，用于保持上面已建立的Thrift连接的存活，如果期间心跳超时，会触发调用cleanConnect方法，此时就会关闭Thrift数据传输通道，终止此维持连接心跳线程。

(4) connect连接成功后，会调用MasterService.client的worker_heartbeat方法进行心跳处理，结果返回的是Command。其中worker_heartbeat的处理步骤如下：

Step1：首先调用send_worker_heartbeat方法，主要是设置workerId、已使用的内存大小、worker已删除的blockId。

Step2：创建一个worker_heartbeat_result对象，worker_heartbeat_result是MasterService中的静态内部类，这里面会定义两种Field，SUCCESS_FIELD_DESC值为0，E_FIELD_DESC为1。

Step3：通过Thrift服务发送给Master端，由MasterInfo的workerHeartbeat方法负责处理。如果Master节点找不到心跳汇报的Worker信息，则返回给Worker节点CommandType.Register命令。如果有需要释放的内存，则Master返回给Worker节点CommandType.Free命令。否则返回给CommandType.Nothing命令给Worker节点。

1.3 HeartBeat异常处理

在TachyonWorker心跳汇报过程中，可能会出现两种主要的异常：BlockInfoException和TException异常。

(1)如果出现BlockInfoException，则在TachyonWorker中调用WorkerStorage.checkStatus()方法，如果此时继续心跳的条件仍然成立，即mStop为false，则继续循环进行心跳汇报。

(2)如果出现TException，则在TachyonWorker中调用WorkerStorage的resetMasterClient方法进行重置MasterClient对象，利用connect方法连接Thrift服务端。需要注意的是，Worker心跳超时判断，默认超时时间为10秒，如果超时，则抛出RuntimeException，心跳线程直接就挂掉了；如果没有心跳超时，则继续进行WorkerStorage的checkStatus，重新检查心跳条件，进入下次心跳。

2 Master HA

Master节点在初始化的时候会创建Journal目录，如果底层文件系统是HDFS的话，那就直接在HDFS上创建对应的目录，并且需要格式化(这里的格式化实际上是创建一个空的文件用于标注Format完毕)。

Tachyon的文件系统信息依靠Edits日志 + Fsimage镜像保存(分别是image.data文件和log.data文件)，Edits日志是Tachyon文件系统的元数据信息的增量Log，Fsimage是在某个时刻的快照。Tachyon Master在启动时会首先从Fsimage文件中读取文件系统元数据信息，即各种数据节点（文件、目录、Raw表、Checkpoint、依赖关系等）信息，然后再从继续Edits（可能多个）中读取增量操作记录，Edits日志的内容基本对应于Tachyon文件系统Client的一些相关操作，包括文件的添加，删除，重命名，数据块的添加等。但是这里的Edits日志不包括实际的文件内容数据，只是元数据信息，当Cache中的文件内容丢失，而又没有持久化，也没有绑定相关lineage信息时，对应的文件的内容就会丢失。搞定完这些，Tachyon Master会先把当前的元数据信息写出为新的Fsimage。

采用Zookeeper作为Master的HA实现机制的时候，处于Standby角色的Master会定期将Editlog合并，并创建Standby的Fsimage，如果没有Standby的Master则只有在启动过程中，才会通过合并EditsLog产生新的Fsimage。

Master的Active选举，通过LeaderSelectorClient类来完成，如果当前Master被选举为Leader，则停止EditsLog的滚动，调用MasterInfo的init方法进行初始化相关参数，进而启动Web的服务UIWebServer(Standby状态的Master没有WebUI服务)，接着初始化Master的服务处理对象MasterServiceHandler并启动Thrift服务。

需要注意的是：

(1) JOURNAL的路径、格式化文件前缀、service和web的ip及端口的设定都是在MasterConf类中设置的；

(2) MasterInfo的init方法会依次做如下事情：

Step1:加载EditsLog文件到内存

Step2:创建新的镜像文件

Step3:创建新的EditsLog日志文件

Step4: 创建心跳汇报器MasterInfoHeartbeatExecutor并启动

Step5: 创建文件丢失恢复器RecomputationScheduler并启动

(3)Master也有心跳，只不过是做周期性的系统状态检查

Step1：获取超时的worker列表BlockingQueue，从Master端的Worker存储列表中删除

Step2：尝试从超时worker列表中恢复丢失的文件

Step3：重启所有超时的worker列表，这一点很重要！

(4)Master在Zookeeper中会创建两个节点，分别是election节点，在其下面子节点是CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL类型的，即临时节点；leader节点，在其下的子节点是CreateMode.PERSISTENT类型的，用于维护当前存活的Master节点信息。

(5) 由于当前Active Master可能是变化的，所以Worker进行选择Master进行通信的时候，需要首先从Zookeeper中的leader目录下取出所有的Master节点进行遍历，如果只有一个Master，则直接返回，否则，查找出cTime最大的那个Master作为当前的Active节点，由Worker节点负责和它通信。而Worker端在进行心跳汇报的时候，会重试五次，仍然失败则抛出异常TException，由TachyonWorker的run方法catch，调用resetMasterClient方法进行重新设置，每次connect的时候都会从Zookeeper中获取最新的Active Master地址，如果一段时间后仍然连接不上master，则停止心跳，通过调用cleanConnect方法。

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