BookKeeper设计介绍及其在Hadoop2.0 Namenode HA方案中的使用分析

问题导读：

1.什么是BookKeeper背景？
2.BookKeeper in HDFS如何实现对EditLog的读出和写回？
3.写日志都包含哪些流程？












BookKeeper背景BK是一个可靠的日志流记录系统，用于将系统产生的日志(也可以是其他数据)记录在BK集群上，由BK这个第三方Storage保证数据存储的可靠和一致性。典型场景是系统写write-ahead log，即先把log写到BK上，再对log做处理，比如将log写到内存的数据结构中。BookKeeper同时适用于任何单点写入并要求保证高性能和数据不丢失（Strong Durabilty Guarantees）的场景。
BK诞生于Hadoop2.0的namenode HA。在Hadoop中，出于故障恢复的考虑，Namenode在对它的记录做修改前都会先将本条修改的日志写到磁盘上。但是这里有一个潜在问题，当Namenode发生故障时，很可能连本地磁盘也不能访问，这时之前的记录的日志也就没用了。基于上述考虑，可以将Namenode的日志信息保存在一个可靠的外部Storage中。最初业界通过NFS这样的Share Storage来实现日志同步。之所以选择NFS，一方面因为可以很方便地实现数据共享，另外一方面是因为NFS相对稳定成熟。虽然如此，NFS也有缺点不能满足HDFS的在线存储业务：网络单点及其存储节点单点。为了满足共享日志的高可用性，社区引入了BK。除此之外还有默认的HA方案：QJM。

BookKeeper介绍
BK带有多个读写日志的server，称为 bookies。每一个bookie是一个bk的存储服务，存储了写到bk上的write-ahead日志，及其数据内容。写入的log流(称它为流是因为BK记录的是byte[])称为 ledgers，一个ledger是一个日志文件，每个日志单元叫 ledger  entry，也就是bookies是存ledgers的。ledger只支持append操作，而且同时只能有一个单线程来写。ZK充当BK的元数据存储服务，在zk中会存储ledger相关的元数据，包括当前可用的bookies，ledger分布的位置等。
BK通过读写多个存储节点达到高可用性，同时为了恢复由于异常造成的多节点数据不一致性，引入了数据一致性算法。BK的可用性还体现在只要有足够多的bookies可用，整个服务就可用。实际上，一份entry的写入需要确保N份日志冗余在N个bookie上写成功，而我们需要>N个bookie提供服务。在启动BK的时候，需要指定一个ensemble值，即bookie可用的最小节点数量，还需要指定一个quorums值，即日志写入bk服务端的冗余份数。BK的可靠性体现在服务有多个备份，entry的记录也是冗余的。BK的可扩展性体现在可以增加bookie服务的定额数目，同时增加server数据可以一定程度提高吞吐量。
Ledger在BK中扮演了很重要的角色，其相关操作及其作用如下：

• CreateLedger：创建一个空的ledger，此时会在zk中存储相关元数据；
• AddEntry：添加一个记录到ledger中，如果客户端失败或者ledger已经关闭，则不能再追加entry；
• openLedger：开始读取数据前，必须先打开ledger，如果某ledger处于未关闭，不能读取相关数据，如果有异常，需先恢复；
• readEntries：读取ledger中的entry
  

从编码角度讲，操纵entry读写的类为LedgerHandle，LedgerHandle对应一个可以被client读写entry的ledger。下面是创建ledgerHandle并读写entry的例子。

ClientConfiguration conf = new ClientConfiguration();
conf.setZkServers("zk1.example.com:2181,zk2.example.com:2181,zk3.example.com:2181"); 

BookKeeper client = new BookKeeper(conf);

LedgerHandle lh = client.createLedger(3, 2, DigestType.CRC32, "foobar");

lh.addEntry("Hello World!".getBytes());
lh.close();

LedgerHandle lh2 = client.openLedger(1, DigestType.CRC32, "foobar");
long lastEntry = lh2.getLastAddConfirmed();
Enumeration<LedgerEntry> entries = lh2.readEntries(0, 9);
while (entries.hasMoreElements()) {
        byte[] bytes = entries.nextElement().getEntry();
        System.out.println(new String(bytes));
}
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更多BK文档可以参考官网文档。


BookKeeper in HDFSHdfs有两个抽象类提供对EditLog的读出和写回：EditLogOutputStream(以下简称ELOS)和EditLogInputStream(以下简称ELIS)。同时还有一个JournalManager接口，负责管理EditLog的可靠存取。它的实现包括QJM(QuorumJournalManager)和BKJM(BookKeeperJournalManager)。

写日志
对于hdfs而言，主节点写的每一个日志对象为BK的entry，entry的集合组成一个ledger，每一个日志段对应一个ledger，相同日志段追加edits即为向ledger追加entry。Ledger有一个递增的ledgerId，entry也有递增的entryId，每个entryId对应一个txId。
ELOS使用write()将FSEditLogOp往外写，对应的BookKeeperEditLogOutputStream的实现为：

@Override
  public void write(FSEditLogOp op) throws IOException {
    writer.writeOp(op);

    if (bufCurrent.getLength() > transmissionThreshold) {
      transmit();
    }
  }
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BookKeeperEditLogOutputStream内部有一个buffer，每次调用write()写FSEditLogOp的时候，会由一个Writer将此次FSEditLogOp写入buffer，当buffer长度达到门槛值时，进行transmit操作：把buffer里的editLog发送到BK上，代码如下：

/**
   * Transmit the current buffer to bookkeeper.
   * Synchronised at the FSEditLog level. #write() and #setReadyToFlush()
   * are never called at the same time.
   */
  private void transmit() throws IOException {
    if (!transmitResult.compareAndSet(BKException.Code.OK,
                                     BKException.Code.OK)) {
      throw new IOException("Trying to write to an errored stream;"
          + " Error code : (" + transmitResult.get()
          + ") " + BKException.getMessage(transmitResult.get()));
    }
    if (bufCurrent.getLength() > 0) {
      byte[] entry = Arrays.copyOf(bufCurrent.getData(),
                                   bufCurrent.getLength());
      lh.asyncAddEntry(entry, this, null);
      bufCurrent.reset();
      outstandingRequests.incrementAndGet();
    }
  }
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lh为BK的LedgerHandle，asyncAddEntry方法异步将entry写往一个open状态的ledger。这就是一个简单的把Editlog写往BK的过程。
BKJM简单写的代码如下：

public void testSimpleWrite() throws Exception {
    NamespaceInfo nsi = newNSInfo();
    BookKeeperJournalManager bkjm = new BookKeeperJournalManager(conf,
        BKJMUtil.createJournalURI("/hdfsjournal-simplewrite"), nsi);
    bkjm.format(nsi);

    EditLogOutputStream out = bkjm.startLogSegment(1);
    for (long i = 1 ; i <= 100; i++) {
      FSEditLogOp op = FSEditLogTestUtil.getNoOpInstance();
      op.setTransactionId(i);
      out.write(op);
    }
    out.close();
    bkjm.finalizeLogSegment(1, 100);
 
    String zkpath = bkjm.finalizedLedgerZNode(1, 100);
  }
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BKJM的startLogSegment(txId)将产生一个新的ledger，对应一个新的日志段，该日志段状态为接收写入日志的状态。创建ledger之前有一些校验工作

if (txId <= maxTxId.get()) {
      throw new IOException("We've already seen " + txId
          + ". A new stream cannot be created with it");
    }

    try {
      String existingInprogressNode = ci.read();
      if (null != existingInprogressNode
          && zkc.exists(existingInprogressNode, false) != null) {
        throw new IOException("Inprogress node already exists");
      }
      if (currentLedger != null) {
        // bookkeeper errored on last stream, clean up ledger
        currentLedger.close();
      }
      currentLedger = bkc.createLedger(ensembleSize, quorumSize,
                                       BookKeeper.DigestType.MAC,
                                       digestpw.getBytes());
    } catch (BKException bke) {
      throw new IOException("Error creating ledger", bke);
    } catch (KeeperException ke) {
      throw new IOException("Error in zookeeper while creating ledger", ke);
    } catch (InterruptedException ie) {
      Thread.currentThread().interrupt();
      throw new IOException("Interrupted creating ledger", ie);
    }
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Ledger的创建还对应一个新的EditLogLedgerMetadata，该类记录这个日志段的元信息，包括zkPath，ledgerId，开始和结束txId等，在读取ledger里的日志内容的时候需要这些元数据信息。
BKJM的finalizeLogSegment()将文件由正在写入日志的状态转化为不接收写日志的状态。BKJM会create ledger，delete ledger，open ledger，这里的ledger即LedgerHandler类，它对每个ledger entry进行读写操作。

写日志总体流程
ZK作为BK的元数据服务器，里面存储了哪些bookie服务是可用的，同时也记录了目前系统有哪些ledger，及其ledger相关信息，如该ledger数据存储在哪些机器上，及其该ledger起始，结束entryid等。Bookie节点存储实际的数据，及其数据的读写服务。
写操作由主节点来完成，当主节点调用setReadyToFlush操作，会调用RPC同时向N（N=quorums）个bookie节点写，flush异步等待响应。
主节点对bk的操作，其实就是对ledger的操作，在开始向bk服务写数据前，首先需要打开ledger，打开ledger就会与配置的所有bookie节点建立连接；打开连接后，数据以entry为单位以RR算法选择向N（N=quorums）个bookie节点写entry数据，并且异步地等待结果返回，有任何一个bookie写入失败，则需要重新选择一个bookie写入失败的副本。
当bookie服务端接收到写入数据后，首先会写日志，然后根据同步或者异步算法将数据同步到磁盘上。写入数据过程中，首先会写入log文件，写入的内容包含ledgerid，entryid，EntrySize，LastConfirmed，及其真实数据内容。然后在相应ledger文件中记录下entryid，及其该entry所在的日志文件，偏移量等。


读日志读日志相比写日志过程，相对简单一些。同样，读日志过程也支持高可用。BKJM通过selectInputStreams方法读出一个范围内的ELIS集合，每个ELIS是BookKeeperEditLogInputStream类，new BookKeeperEditLogInputStream需要得到一个EditLogLedgerMetadata，并打开对应的ledger。具体BookKeeperEditLogInputStream类里的内容就不详细说明了。

@Override
  public void selectInputStreams(Collection<EditLogInputStream> streams,
      long fromTxId, boolean inProgressOk, boolean forReading)
      throws IOException {
    List<EditLogLedgerMetadata> currentLedgerList = getLedgerList(fromTxId,
        inProgressOk);
    try {
      BookKeeperEditLogInputStream elis = null;
      for (EditLogLedgerMetadata l : currentLedgerList) {
        long lastTxId = l.getLastTxId();
        if (l.isInProgress()) {
          lastTxId = recoverLastTxId(l, false);
        }
        // Check once again, required in case of InProgress and is case of any
        // gap.
        if (fromTxId >= l.getFirstTxId() && fromTxId <= lastTxId) {
          LedgerHandle h;
          if (l.isInProgress()) { // we don't want to fence the current journal
            h = bkc.openLedgerNoRecovery(l.getLedgerId(),
                BookKeeper.DigestType.MAC, digestpw.getBytes());
          } else {
            h = bkc.openLedger(l.getLedgerId(), BookKeeper.DigestType.MAC,
                digestpw.getBytes());
          }
          elis = new BookKeeperEditLogInputStream(h, l);
          elis.skipTo(fromTxId);
        } else {
          // If mismatches then there might be some gap, so we should not check
          // further.
          return;
        }
        streams.add(elis);
        if (elis.getLastTxId() == HdfsConstants.INVALID_TXID) {
          return;
        }
        fromTxId = elis.getLastTxId() + 1;
      }
    } catch (BKException e) {
      throw new IOException("Could not open ledger for " + fromTxId, e);
    } catch (InterruptedException ie) {
      Thread.currentThread().interrupt();
      throw new IOException("Interrupted opening ledger for " + fromTxId, ie);
    }
  }
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首先选择日志文件，建立输入流。从节点触发消化日志后，首先会查询ZK，获取到主节点写入ZK的edits元数据信息（不包含inprocess状态的edits元数据），这个元数据包含日志段的startTxid，lastTxid，ledgerID，同时也会打开相应的ledger，并获取其元数据，如ledger的quorumSize，ensembleSize，lastEntryId等，同时按照txid先后顺序对ledger进行排序，放入输入流集合。需要强调的是，当打开ledger时，会检查其entry副本之间的一致性，如果不一致需恢复。
准备好输入流以后，开始消化日志，依次操作输入流集合的ledgers，读取每个ledger内的entry：

• 通过查询ledger元数据，同时通过RR算法确定该entry存储在哪几个bookies；
• 尝试从bookies集合的第一个bookie服务读取entry，如果成功，该entry就读取成功，如果失败，转入第3步；
• 尝试从bookies集合的第二个bookie服务读取entry，如果成功，该entry就读取成功，如果失败，依次类推，如果尝试读取完所有的bookies均失败，则该entry读取失败；
  

恢复
BKJM还有恢复机制，相关接口有recoverUnfinalizedSegments()，recoverLastTxId()。Bookie数据恢复检查通过定时或者人工发起，集群数据修复流程：

• 通过zk查询到ledger元数据；
• 通过元数据，查询相关bookie中存储的ledger的entry是否完整；
• 如果查询到存储在某bookie上的entry不完整，则需要进入数据恢复流程；
• 首先从bk服务端读取到ledger相关的entry，然后将其写到需要恢复entry的某bookie服务端；
• Ledger数据恢复完成后，需要更新ledger的segment相关元数据。
  

总结
本文首先介绍了BookKeeper的背景和使用场景，然后简单介绍了BK的主要部件及使用方法，最后粗略地分析了hadoop2.0 namenode BKJM的HA实现，介绍了EditLog写入和读出BK的过程。通过阅读hadoopBKJM部分的代码，帮助学习怎样在自己的系统里加入BookKeeper，让BK来保证日志的可靠和容灾恢复等功能。