【原】storm源码之一个class解决nimbus单点问题

一、storm nimbus 单节点问题概述

1、storm集群在生产环境部署之后，通常会是如下的结构：

从图中可以看出zookeeper和supervisor都是多节点，任意1个zookeeper节点宕机或supervisor节点宕机均不会对系统整体运行造成影响，但nimbus和ui都是单节点。ui的单节点对系统的稳定运行没有影响，仅提供storm-ui页面展示统计信息。但nimbus承载了集群的许多工作，如果nimbus单节点宕机，将会使系统整体的稳定运行造成极大风险。因此解决nimbus的单点问题，将会更加完善storm集群的稳定性。

2、storm nimbus单节点的风险
(1)功能上，nimbus进程退出后，如果再同时发生worker进程宕机，宕机的worker将无法重启，集群将会有部分消息始终无法得到处理。
(2)监控上，nimbus进程不可用时，storm ui将无法访问。
(3)几率上，机房由于演练或故障不可用时即会出现nimbus与worker进程同时故障的情形，面对风险的几率较大。

二、storm与解决nimbus单点相关的概念

1、【nimbus进程】storm集群工作的全局指挥官。
(1)通过thrift接口，监听并接收client对topology的submit，将topology代码保存到本地目录/nimbus/stormdist/下
(2)为client提交的topology计算任务分配，根据集群worker资源情况，计算出topology的spout和bolt的task应该如何在worker间分配，任务分配结果写入zookeeper
(3)通过thrift接口，监听supervisor的下载topology代码的请求，并提供下载
(4)通过thrift接口，监听ui对统计信息的读取，从zookeeper上读取统计信息，返回给ui
(5)若进程退出后，立即在本机重启，则不影响集群运行。

2、【supervisor进程】storm集群的资源管理者，按需启动worker进程。
(1)定时从zookeeper检查是否有代码未下载到本地的新topology，定时删除旧topology代码
(2)根据nimbus的任务分配结果，在本机按需启动1个或多个worker进程，监控守护所有的worker进程。
(3)若进程退出，立即在本机重启，则不影响集群运行。

3、【worker进程】storm集群的任务构造者，构造spout或bolt的task实例，启动executor线程。
(1)根据zookeeper上分配的task，在本进程中启动1个或多个executor线程，将构造好的task实例交给executor去运行（死循环调用spout.nextTuple()或bolt.execute()方法）。
(2)向zookeeper写入心跳
(3)维持传输队列，发送tuple到其他的worker
(4)若进程退出，立即在本机重启，则不影响集群运行。

4、【executor线程】storm集群的任务执行者，循环执行task代码。
(1)执行1个或多个task（每个task对应spout或bolt的1个并行度），将输出加入到worker里的tuple队列
(2)执行storm内部线程acker，负责发送消息处理状态给对应spoult所在的worker

【注1】Worker、Executor、Task关系可以参考 http://www.cnblogs.com/yufengof/p/storm-worker-executor-task.html

三、nimbus目前无法做到多节点的原因

1、nimbus节点的ip地址在配置文件中storm.yaml，更换机器后ip地址变化，需要更新集群所有节点的配置文件后重启集群。
2、客户端submitTopology时也需要取得nimbus ip上传代码。nimbus更换机器后，client也需要修改配置文件。
3、nimbus机器的本地硬盘存放了topology的代码，更换机器后代码全部丢失，新启动的supervisor将无法下载正在运行的topology代码。
4、storm ui是从nimbus读取集群统计信息的，nimbus更换机器后ui也需要修改配置文件后重启。
5、同时启动多个nimbus节点，会面临多个nimbus并发计算topology的任务分配，并发写入zookeeper，并发清理zookeeper等诸多不可预料的问题。即使存在多个nimbus节点，storm-ui、supervisor、client等也只会使用配置文件指定的ip的节点。

【注】storm在设计之初就做到了节点进程间通过zookeeper松散耦合，进程相对独立，单个进程的退出不会影响集群运行，因此nimbus做到多节点并不存在十分巨大的困难。但作者@Nathanmarz认为nimbus单节点问题并不是storm最紧急和严重的问题，因此在0.8.2版本之前nimbus ip地址依旧是在配置文件。

四、解决nimbus单点问题的关键

1、supervisor、client、ui对nimbus节点ip动态获取，而非由配置文件指定。
2、在nimbus更换机器后，supervisor仍然可随时下载到topology的代码。

五、业界对nimbus单点问题的努力

1、storm作者Nathanmarz对高可用的nimbus提出了这样的规划：

• nimbus目前的本地存储topology代码方式需要更加灵活，比如既支持本地存储，也支持分布式存储
• nimbus节点之间需要实现基于zookeeper的自选举机制
• 客户端能够通过zookeeper找到nimbus leader的ip地址来submit topology

2、来自俄罗斯的@Frostmanfork了storm-0.8.2，并在此版本基础上着手实现Nathanmarz对nimbus-ha的规划。Frostman抽象出了INimbusStorage.java存储接口:

 public interface INimbusStorage {
     void init(Map conf);
     InputStream open(String path);
     OutputStream create(String path);
     List<String> list(String path);
     void delete(String path);
     void mkdirs(String path);
     boolean isSupportDistributed();
 }

【注1】INimbusStorage为topology代码的分布式存储与本地存储预留了接口，Forstman同时提供了本地存储实现类storage.clj。
【注2】Nathanmarz因此在0.8.2版本的基础上，新开了storm-0.8.2-ha分支，专门用来解决nimbus单点问题，并将Frostman已完成的nimbus-storage代码合并到该分支。

3、Frostman在nimbus-storage基础上继续增加了nimbus多节点选举机制，(目前尚未被Nathanmarz合并入storm-ha分支)。
    nimbus多节点选举机制真正实现了nimbus的多节点启动。nimbus进程启动后即通过抢占zookeeper的InterProcessMutex锁成为leader，非leader的nimbus进程一直处于block状态，不进行后续工作，当leader宕机时，抢占到锁的下1个节点成为新leader。由此解决了多nimbus进程会并发读写zookeeper的问题。
Frostman同时将所有配置文件中的nimbus ip地址转移到了zookeeper中存储leader ip地址，并在storm-ui中增加了nimbus多节点leader状态的展示。

但由于本地存储是不支持分布式的，即无法同时启动多个nimbus节点（非leader节点无topology代码），因此其选举功能也仅限于演示，无法实际运用。

4、来自yahoo的@anfeng (twitter @Andy Feng)试图将nimbus及ui使用的端口号由配置文件指定改为自动查找可用端口，但作者建议其在Frostman的nimbus-ha基础上增加此feature，这样storm-ha将更加趋于智能化。

六、nimbus单点问题的解决思路

1、Frostman的工作已为彻底解决nimbus单点问题奠定了重要基础：

• nimbus ip地址动态获取
• topology代码存储方案可定制
• nimbus多节点选举，宕机自动切换
• nimbus leader状态ui展示

在Frostman工作的基础上继续深入，将极大减少工作量。

2、Frostman并未解决topology代码如何在多个nimbus节点或集群所有节点间共享的问题。Nathamarz的理想规划是：实现storm集群中所有nimbus、supervisor机器之间通过P2P协议共享topology代码，但目前限于BitTorrent未完成的工作，目前暂停了nimbus-ha分支的开发。

3、最终选定的解决方案：实现定制的nimbus-storage插件NimbusCloudStorage，使得所有nimbus节点在启动后均从leader 轮询下载本地不存在的topology代码。依次满足supervisor在nimbus节点切换后下载代码的需求。

七、NimbusCloudStorage的实现

1、 工作机制

　　在nimbus进程启动后，NimbusCloudStorage会启动1个新的线程，定时轮询zookeeper上正在运行的topology id，并依此比对本地存储的代码中是否有未下载的，一旦发现代码未下载，则从zookeeper获取nimbus leader节点的ip，并向其请求下载topology的代码。

2、 使用方法

　　在storm/conf/storm/yaml配置文件中增加【nimbus.storage: "backtype.storm.nimbus.NimbusCloudStorage"】即可

【注】Frostman已经2个月没看github了，⊙﹏⊙b汗，导致NimbusCloudStorage的pull request一直处于open状态。目前新的工作一直在fork出来的storm-ha分支commit，本地编译release版本storm-0.8.2-tb。

总结：

基于开源社区对storm-nimbus-ha的推进，通过实现新的storage插件既解决了nimbus-ha方案中重要的topology代码共享问题，又避免了对storm源码的过度侵入，实现了1个class解决nimbus-ha问题，为实现nimbus-ha提供了一种思路。其中，NimbusCloudStorage实现源码参见GitHub。