hadoop3.0 Yarn支持网络资源 network原理设计文档说明

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1.网络作为Yarn的资源，有什么好处？
2.Yarn是否只支持调度和强制执行“传出流量”？
3.Yarn是否支持入口流量？
4.DistributedShell是否可以让用户指定网络带宽？
5.hadoop3.0网络设计存在哪些已知的问题?

开始在学习之前，其实需要一定的基础，因为Yarn里面使用了Linux TC和Cgroup。其实这两个不是新鲜的概念，很多人已经通过他们控制Linux流量，而这里hadoop官方将他们应用于Yarn。

那么什么是TC？Linux 流量控制程序

什么是Cgroup？Cgroups 是 control groups 的缩写，是 Linux 内核提供的一种可以限制、记录、隔离进程组（process groups）所使用的物理资源（如：cpu,memory,IO等等）的机制。有了这些基本认识，更多大家可搜索，后面about云将会补充一些相关内容。下文帮助大家了解Yarn的网络设计

介绍

作为在YARN上允许多个工作负载的一部分，我们需要首先添加对网络的支持使Storm等应用程序能够在YARN上运行。 例如，Storm，往往是网络I / O限制。 对于Storm在YARN上更可预测的运行，我们需要能够指定和执行带宽限制。 另外，增加网络作为资源将会也帮助其他应用程序，如MapReduce和Tez以更可预测的方式运行。

Network作为资源

网络作为一种资源，有两个方面应用程序需要考虑-带宽和网络每秒ops。我们决定增加支持（出站）网络带宽作为资源。网络有两方面，带宽的sustained速率和burst率。 “sustained” 率是container能够发送出站流量，而不会因NM应用强制规则而受到限制。尽管如此，取决于整体网络利用率，container 可以允许以更高的 “burst”率。这个“burst”的速度是不能保证的。container 分配请求只能包含一个“sustained rate”.”的请求。与CPU类似，集群管理员将被允许在执行方面启用或禁用（“burst”）。

注意，我们只会支持调度和强制执行“传出流量”，这是由于流量管制的限制。 有关其他详细信息，请参阅下面的内容。

调度

考虑到只建模网络带宽的决定，调度变得简单，类似于内存和CPU。所有NMS将报告可用带宽（以兆位/秒）到RM。

Resource类将被修改为接受网络带宽（以mbit / sec为单位）作为构造函数的一部分。 我们建议将函数签名更改为以下内容

[Bash shell]
?
public static Resource newInstance(int memory, int vCores, int
outboundNetworkBandwidth)

Getter和setter函数将被添加到Resource类中。 一个新的repeated的领域资源将被添加到ResourceProto。

[Bash shell] 
?
message ResourceProto {
optional int32 memory = 1;
optional int32 virtual_cores = 2;
optional int32 outbound_network_bandwidth = 3;
}

当调度决策时，考虑outboundNetworkBandwidth，DominantResourceCalculator将会被修改。以下配置选项将可用：

1.yarn.scheduler.enablenetworkscheduling配置设置启用或禁用网络作为资源，允许管理员在他们认为合适的时候启用它。 如果将此设置设置为关闭，则会导致节点上的网络带宽向RM报告，但为了调度而忽略。

2.yarn.scheduler.minimumallocationoutboundnetworkbandwidthmbit,yarn.scheduler.maximumallocationoutboundnetworkbandwidthmbit设置最小和最大出站网络带宽分配。这些默认值分别为1 mbit / sec和1000 mbit / sec。

机架感知

当涉及到网络作为一种资源时，在分配过程中还有一个额外的考虑。 一些应用程序将启动相互通信的containers。在这种情况下，最好在同一个机架内启动contains。 在机架间通信的情况下，可能无法保证容器所需的带宽。 在这种情况下，将容器分配给可用带宽最多的机架将是有益的。

调度程序可以采用以下策略;
1.如果这是分配的第一个容器，请将其分配到网络最高的机架上可用的带宽。
2.如果此应用程序的容器已经分配，尝试在已经有容器的机架上分配容器。 如果这些机架上没有容量，请找到最适合容器的机架（按拓扑结构）。 虽然这可能不会导致最佳表现，但我们认为这是第一步适合的。 这个政策可以在将来重新审视。
机架信息已经通过配置core-site.xml中net.topology.script.file.name的配置字段。建议是使用这些信息并使用上面列出的政策。

执行
概述

关于执行，本文件仅限于：
1）只支持linux
2）仅出口流量。

关于入口流量的说明

与出站流量不同，入站流量不是以与出站流量相同的方式进行分区或标记的（有关出站流量整形的详细信息，请参阅下文）。 入口qdisc不是有效的，我们不能像出口流量一样使用细粒度的过滤器和规则。 另外，当流量到达入口qdisc时，网络带宽已经被消耗。 在这个阶段，如果某种入口策略已经到位，那么就没有队列（也没有延迟机制）可用，而数据包只是被丢弃。 由于这些原因，入口流量支持暂时还不在范围之内。

支持出口流量是通过两个方面实现：net_cl Cgroup系统和Linux流量工具TC

net_cls 2 cgroup 子系统

net_cls cgroup子系统允许我们使用称为“classid”的32位类标识符来“标记”传出的数据包。这个classid是在文件net_cls.classid（位于挂载的cgroup目录下）中指定的。 这个classid的值标识一个流量“句柄”，随后可用于流量整形。 对于每个需要网络调节的YARN容器，生成一个classid并写入相应cgroup的classid文件。

流量整形使用tc3

一旦标记就绪，tc shell实用程序（Traffic Control的缩写）就可以用来指定与正在使用的classid相对应的流量整形规则。 HTB4（分级令牌缓冲区）classful qdisc用于实现基于类id的流量整形5。

配置选项

为了执行一些配置项将在NM上可用。

1.yarn.nodemanager.resource.network.interface管理员可以指定YARN使用的网络接口（以及正在运行的应用程序）。 流量整形规则应用于此接口。 如果可能的话，这是自动确定的，但在检测失败或未配置的情况下默认为eth0。

2.yarn.nodemanager.resource.network.outboundbandwidthmbit管理员可以在节点设置 yarn-site.xml有效带宽.如果可能，默认带宽将自动确定。如果无法确定，它将被设置为1000兆位/秒的除非被管理员在yarn-site文件中配置重写覆盖。此值连同为Yarn容器分配的带宽（见下文）用于确定在YARN容器中不运行的进程的可用（保证）出站网络带宽的数量。 有关更多信息，请参阅NM启动部分。

3.yarn.nodemanager.resource.network.outboundbandwidthyarnmbit管理员可以设置YARN containers最大的总的可用带宽，在yarn-site.xml文件中.如果没有指定，将会默认为yarn.nodemanager.resource.network.outboundbandwidthmbit的值

4.yarn.nodemanager.strictresourceusage这是一个现有的配置参数，允许管理员指定允许的用法是“弹性的”还是“严格的”。 如果没有启用严格的使用，每个YARN容器的网络带宽利用率被允许“burst’”达到yarn.nodemanager.resource.network.outboundbandwidthyarnmbi值

验证配置——默认值和非默认值

配置在启动期间被验证（RM / NM）。 根据启用了网络调度的部署YARN的群集，默认配置可能无效（例如，eth0可能不是从属节点上的有效接口，或配置的最大接口带宽不正确）。 在这种情况下，默认值或指定的配置参数是无效的，网管将记录一个错误，并启动失败。

NM启动

一旦配置被验证，在NM启动期间执行以下操作：
1.安装net_clcgroup子系统
2.对于正在使用的网络接口，应用以下tc操作：
a.添加一个HTB队列规则（qdisc）

[Bash shell] 
?
tc qdisc add dev eth0 root handle 10: htb

b.对于队列规则添加一个顶层类

[Bash shell]
?
tc class add dev eth0 parent 10: classid 10:1 htb rate 1000mbit default 3

c.启用过滤器基于classid

[Bash shell]
?
tc filter add dev eth0 parent 10: protocol ip prio 10 handle 1: cgroup

现在附加两个类，一个用于容器容器的最大允许流量，另一个用于剩余的带宽（默认类3）。默认的类有一个允许ceil相应的接口maxbandwidth，允许它使用所有可用带宽，如果不使用的话。

[Bash shell]
?
tc class add dev eth0 parent 10:1 classid 10:2 htb rate 700mbit
tc class add dev eth0 parent 10:1 classid 10:3 htb rate 300mbit ceil 1000mbit

要执行TC操作，我们需要root权限。我们将修改containerexecutor.c允许此功能。

创建一个Ccgroup和分配一个classids到Container

创建一个cgroup（为net_cls子系统）为每一个容器，每个容器被分配一个唯一的（未使用的）classid，用于标记源自这个cgroup的数据包。 例如 ：

[Bash shell]
?
mkdir /cgroup/net_cls/container_1
echo $PID >> /cgroup/net_cls/container_1/tasks
echo 0x100007 > /cgroup/net_cls/container_1/net_cls.classid

该功能将作为CGroupsLCEResourceHandler类的一部分来实现。

将基于classid的流量整形规则应用于指定的接口

一旦对容器进行cgroup相关的更改，具有所需速率的类就需要应用于htb树。 这里使用的classid需要与写入net_class.classid文件的classid相同。 取决于是否启用了严格的强制执行，还配置了“ceil”突发速率：

[Bash shell]
?
tc class add dev eth0 parent 10: classid 10:7 htb rate 50mbit ceil 700mbi

如上所述，containerexecutor.c将修改以添加对此功能的支持。

资源本地化，Shuffle,，日志聚合，HDFS

NM提供的某些共享服务可能会消耗大量的网络带宽，如资源本地化，日志聚合和shuffle.。 由于这些服务是由NM本身提供的，所以我们不能对它们应用容器特定的限制。 同样的问题也适用于HDFS。
有两个潜在的解决方案（在Linux上）

1.在一个CGroup（和一个关联的tc规则）下运行一个新的NM 配置参数控制NM可用的带宽量。 由于这将限制可用于NM的带宽量（否则，其不可用），所以可能会导致性能下降。 在这种情况下，HDFS带宽利用率（例如服务远程读取）仍将不受限制。

2.在顶层HTB qdisc之下创建两个子层次结构.一个用于 YARN容器和一个用于其它每一个。 这将保证带宽的操作，如shuffle,，日志聚合，同时允许这些操作比保证的消耗更多的带宽，如果可用的话。 这种方法的意义在于，在YARN容器的高网络利用率的情况下，shuffle，对数聚集，HDFS读取（服务）可以被限制到较小的带宽量。 本文档的NM启动部分假设我们将使用这种方法。

一个更好的长期解决方案可能是在YARN容器中产生logaggregation和shuffle作为微服务，然后我们可以应用容器特定的限制，如本文所述。

其它

RM和NM将不得不进行修改以启用网络的计费（计费）。 此功能目前为内存和CPU启用。 为了列出可用/分配的网络带宽，还需要一些UI更改。

MapReduce, DistributedShell
MapReduce和DistributedShell都将被修改，将网络视为资源。 在MapReduce的情况下，将添加作业配置选项来设置map和reduce任务所需的网络带宽。 在分布式shell的情况下，将添加命令行选项以允许用户指定网络带宽。

已知的问题

1.目前的执行机制只有Linux。

2.在Linux上，目前的执行机制只支持出口的流量整形。 入口流量不能以相同的方式成形。 这意味着从YARN容器读取远程HDFS不会受到限制。 然而，HDFS写入会受到限制。

3.如果是多宿主环境，管理员将不得不明确地设置网络接口在NM配置。 如果这个接口设置不正确，结果会是执行可能不正确。

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