Spark运行架构以及容错机制

spark是一个开发框架，用于进行数据批处理，本文主要探讨Spark任务运行的的架构。由于在日常生产环境中，常用的是spark on yarn 和spark on k8s两种类型的模式，因此本文也主要探讨这两种类型的异同，以及不同角色的容错机制。

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1. Spark的角色区分

1.1 Driver

Spark的驱动器节点，负责运行Spark程序中的main方法，执行实际的代码。Driver在Spark作业时主要负责：

• 将用户程序转化为作业（job）
• 负责跟RM（yarn）或者 Apiserver（k8s）申请资源，调度并拉起Excutor，协调和分配Executor之间的任务（task）
• 监控Executor的执行状态
• 通过UI展示运行情况。

1.2 Excuter

Executor是Spark程序中的一个JVM进程，负责执行Spark作业的具体任务（task），每个任务之间彼此相互独立。Spark应用启动时，Executor同时被启动，并且伴随着Spark程序的生命周期而存在。如果有Executor节点发生了故障，程序也不会停止运行，而是将出错的Executor节点上的任务调度到其他Executor节点运行。

Executor的核心功能：

• 运行Spark作业中具体的任务，并且将执行结果返回给Driver。
• 通过自身的块管理器（Block Manager）对用户要求缓存的RDD进行内存式存储。RDD式缓存在Executor进程内部的，这样任务在运行时可以充分利用缓存数据加速运算。

2. Spark-Cluster模式的任务提交流程

2.1 Spark任务简单开发

2.2 Spark On Yarn的任务提交流程

2.2.1 yarn相关概念

RM（ResourceManager）:

即资源管理，在YARN中，RM负责集群中所有资源的统一管理和分配，它接收来自各个节点（NM）的资源汇报信息，并把这些信息按照一定的策略分配给各个应用程序（实际上是AM）

NM（NodeManager）:
NM是运行在单个节点上的代理，它需要与应用程序的AM和集群管理者RM交互：

• 从AM上接收有关Container的命令并执行之（比如启动、停止Container）；
• 向RM汇报各个Container运行状态和节点健康状况，并领取有关Container的命令（比如清理Container）执行之。

AM（ApplicationMaster）:

用户提交的每个应用程序均包含一个AM，它可以运行在RM以外的机器上负责，主要负责

• 与RM调度器协商以获取资源（用Container表示），将得到的任务进一步分配给内部的任务(资源的二次分配)。
• 与NM通信以启动/停止任务。
• 监控所有任务运行状态，并在任务运行失败时重新为任务申请资源以重启任务。

注：RM只负责监控AM，并在AM运行失败时候启动它。RM不负责AM内部任务的容错，任务的容错由AM完成。

在Yarn任务的启动流程中，

• client优先跟RM获取NM资源并启动AM，在Cluster模式下，AM启动后client就可以退出了
• AM构建任务信息，并RM获取NM资源并启动Executor，并将task信息分配给Executor从而实现任务启动
• Executor需要跟AM进行心跳汇报，如果Executor异常，相关的拉起动作也是有AM来控制。

2.2.2 任务提交流程

Driver和AM是两个完全不同的东西，Driver是控制Spark计算和任务资源的，而AM是控制yarn app运行和任务资源的。在Spark On Yarn模式中，Driver运行在AM上，Driver会和AM通信，资源的申请由AppMaster来完成，而任务的调度和执行则由Driver完成，Driver会通过与AppMaster通信来让Executor的执行具体的任务。

任务提交流程图

执行过程

1. Client向YARN中提交应?程序，包括AM程序、启动AM的命令、需要在Executor中运?的程序等
2. RM收到请求后，在集群中选择?个NM，为该应?程序分配第?个Container，要求它在这个Container中启动应?程序的AM，进行SparkContext(Driver)等的初始化
3. AM向RM注册，这样?户可以直接通过RM查看应?程序的运?状态，然后它将采?轮询的?式通过RPC协议为各个任务申请资源，并监控它们的运?状态直到运?结束
4. ?旦AM申请到资源（也就是Container）后，便与对应的NM通信，要求它在获得的Container中启动Executor，Executor启动后会向 AM中的SparkContext(Driver)注册并申请Task。
5. AM中的SparkContext(Driver)分配Task给Executor执?，运?Task并向AM中的SparkContext(Driver)的汇报运?的状态和进度，以让 AM中的SparkContext(Driver)随时掌握各个任务的运?状态，从?可以在任务失败时重新启动任务应?程序运?完成后，AM中的SparkContext(Driver)向NM申请注销并关闭??
   6.应?程序运?完成后，AM向NM申请注销并关闭??

YARN-Cluster的执行，需要安装spark 客户端，并执行如下命令提交任务

spark-submit \
--class org.apache.spark.examples.SparkPi \
--master yarn  --deploy-mode cluster \
--num-executors 1 \
/Users/ly/apps/spark-2.2.0-bin-hadoop2.7/examples/jars/spark-examples_2.11-2.2.0.jar 10

2.3 Spark On K8S的任务提交流程

Spark 2.3开始，Spark官方就开始支持Kubernetes作为新的资源调度模式。

2.3.1 k8s相关概念

Master:
Kubernetes里的Master指的是集群控制节点，每一个Kubernetes集群里都必须要有一个Master节点来负责整个集群的管理和控制，基本上Kubernetes的所有控制命令都发给它，它来负责具体的执行过程，我们后面执行的所有命令基本都是在Master节点上运行的

Node:
Node节点是Kubernetes集群中的工作负载节点，每个Node都会被Master分配一些应用程序服务以及云工作流。

2.2.2 任务提交流程

总体提交流程如下

可以通过spark原生提交方式和 spark-on-k8s-operator提交 两种方式进行提交，两种方式实现上有些差异，但是总体流程是一致的。

1， spark原生提交方式

需要安装spark 客户端，并执行如下命令提交任务

bin/spark-submit \
    --master k8s://https://{k8s-apiserver-host}:6443 \
    --deploy-mode cluster \
    --name spark-wordcount-example \
    --class org.apache.spark.examples.JavaWordCount \
    local:///opt/spark/examples/target/scala-2.11/jars/spark-examples_2.11-2.4.5.jar \
    oss://{wordcount-file-oss-bucket}/

2， spark-on-k8s-operator提交

spark-on-k8s-operator[2]，可以让用户以CRD(CustomResourceDefinition) [4] 的方式提交和管理Spark作业。这种方式能够更好的利用k8s原生的能力，具备更好的扩展性。并且在此之上增加了定时任务、重试、监控等一系列功能。具体的功能特性可以在github查看官方文档（kubernetes官方推荐）

需要
1， 需要提前在k8s集群中安装，此时会启动一个名为sparkoperator的pod
2，定义提交spark任务的相关CRD资源
3，提交作业时，无需准备一个具备Spark环境的Client，直接通过kubectl或者kubernetes api就可以提交Spark作业。

列入一个crd，命名spark.yaml

apiVersion: "sparkoperator.k8s.io/v1beta2"
kind: SparkApplication
metadata:
  name: spark-wordcount-example
  namespace: default
spec:
  type: Java
  sparkVersion: 2.4.5
  mainClass: org.apache.spark.examples.JavaWordCount
  image: {Spark镜像地址}
  mainApplicationFile: "local:///opt/spark/examples/target/scala-2.11/jars/spark-examples_2.11-2.4.5.jar"
  arguments:
    - "oss://{wordcount-file-oss-bucket}/"
  driver:
    cores: 1
    coreLimit: 1000m
    memory: 4g
  executor:
    cores: 1
    coreLimit: 1000m
    memory: 4g
    memoryOverhead: 1g
    instances: 2

执行如下命令即可启动相关的pod，并进行提交任务

kubectl apply -f spark.yaml

3. Spark-Cluster模式的容灾模式

3.1 Driver容灾

Driver异常退出时，一般要使用checkpoint重启Driver，重新构造上下文并重启接收器。
第一步，恢复检查点记录的元数据块。
第二步，未完成作业的重新形成。由于失败而没有处理完成的RDD，将使用恢复的元数据重新生成RDD，然后运行后续的Job重新计算后恢复。

3.2 Executor容灾

Executor异常退出时，Driver没有在规定时间内收到执行器的状态更新，于是Driver会将注册的Executor移除，并通过调度器自动重新拉起Executor。
Executor分配到到来自Driver的Task，需要重checkpoint重新加载数据并继续执行计算。但是由于Spark运算数据行程DAG，如果遇到不同的Executor之间有数据交互时，不能简单的通过启动对应的Executor相关的数据进行恢复（可能会有数据紊乱）。

3.3 RDD容错

窄依赖
指父RDD的每一个分区最多被一个子RDD的分区所用，表现为一个父RDD的分区对应于一个子RDD的分区 或多个父RDD的分区对应于一个子RDD的分区，也就是说一个父RDD的一个分区不可能对应一个子RDD的多个分区。

宽依赖
指子RDD的分区依赖于父RDD的多个分区或所有分区，即存在一个父RDD的一个分区对应一个子RDD的多个分区。

checkpoint机制
是为了通过lineage做容错的辅助，lineage过长会造成容错成本过高，这样就不如在中间阶段做检查点容错，如果之后有节点出现问题而丢失分区，从做检查点的RDD开始重做Lineage，就会减少开销。

注意
1， 在容错机制中，如果一个节点死机了，而且运算窄依赖，则只要把丢失的父RDD分区重算即可，不依赖于其他节点。
2， 而宽依赖需要父RDD的所有分区都存在，重算就很昂贵了。如果恢复的代价过于昂贵，就会通过checkpoints重新进行计算。
3，利用checkpoint机制，记载最新的数据计算点，重新拉起任务进行计算

4. 疑问和思考

4.1 是否可以部署多个Driver，形成HA模式，如果主Driver宕机，备Driver自动接替？

待整理

5. 参考文档

• Spark 容错以及高可用性HA
• Spark 容错机制
• Spark on Kubernetes作业执行流程
• Spark on Yarn运行机制