YARN 架构组件及原理

一、YARN 体系架构

YARN（Yet Another Resource Negotiator，另一种资源协调者） 是 Hadoop 2.0 中的资源管理系统，它的基本设计思想是将 MRv1 中的 JobTracker拆分成了两个独立的服务 ：一个全局的资源管理器 ResourceManager 和每个应用程序特有的ApplicationMaster。其中 ResourceManager 负责整个系统的资源管理和分配，而 ApplicationMaster负责单个应用程序的管理。

1.1 核心交互流程 

• MR作业状态汇报   Container（Map|Reduce Task）-->Container（MrAppMaster）
• MR作业提交   Client-->RM
• 节点的状态汇报   NM-->RM
• 资源的申请   MrAppMaster-->RM

二、YARN 组件及功能

YARN 总体上仍然是 Master/Slave 结构（主从结构），在整个资源管理框架中， ResourceManager 为Master， NodeManager 为 Slave， ResourceManager 负责对各个 NodeManager 上的资源进行统一管理和调度。当用户提交一个应用程序时，需要提供一个用以跟踪和管理这个程序的ApplicationMaster，它负责向 ResourceManager 申请资源，并要求 NodeManger 启动可以占用一定资源的任务。由于不同的 ApplicationMaster 被分布到不同的节点上，因此它们之间不会相互影响。

上图描述了 YARN 的基本组成结构， YARN 主要由 ResourceManager、 NodeManager、ApplicationMaster（图中给出了 MapReduce 和 MPI 两种计算框架的 ApplicationMaster，分别为 MR AppMstr 和 MPI AppMstr）和 Container 等几个组件构成。

​​​​​​​2.1 ResourceManager

RM（ResourceManager） 是一个全局的资源管理器，负责整个系统的资源管理和分配。它主要由两个组件构成：调度器（Scheduler）和应用程序管理器（Applications Manager， ASM）。

• 调度器（Scheduler）：根据容量、队列等限制条件（如每个队列分配一定的资源，最多执行一定数量的作业等），将系统中的资源分配给各个正在运行的应用程序。
  • 需要注意的是，该调度器是一个“纯调度器”，它不再从事任何与具体应用程序相关的工作，比如不负责监控或者跟踪应用的执行状态等，也不负责重新启动因应用执行失败或者硬件故障而产生的失败任务，这些均交由应用程序相关的 ApplicationMaster 完成。
  • 调度器仅根据各个应用程序的资源需求进行资源分配，而资源分配单位用一个抽象概念“资源容器”（Resource Container，简称 Container）表示， Container 是一个动态资源分配单位，它将内存、 CPU、磁盘、网络等资源封装在一起，从而限定每个任务使用的资源量。
  • 此外，该调度器是一个可插拔的组件，用户可根据自己的需要设计新的调度器， YARN 提供了多种直接可用的调度器，比如 FairScheduler 和 Capacity Scheduler 等。
• 应用程序管理器（Applications Manager）：负责管理整个系统中所有应用程序，包括应用程序提交、与调度器协商资源以启动 ApplicationMaster、监控 ApplicationMaster 运行状态并在失败时重新启动它等。

2.2 ApplicationMaster

用户提交的每个应用程序均包含一个 AM，主要功能包括：

• 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；
• 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。

当前YARN自带了两个AM实现，一个是用于演示AM编写方法的例程序distributedshell，它可以申请一定数目的 Container 以并行运行一个 Shell 命令或者 Shell 脚本 ；另一个是运行 MapReduce 应用程序的 AM—MRAppMaster，此外，一些其他的计算框架对应的 AM 正在开发中，比如 Spark、Flink 等。

​​​​​​​2.3 NodeManager

NM（NodeManager） 是每个节点上的资源和任务管理器，一方面，它会定时地向 RM 汇报本节点上的资源使用情况和各个 Container 的运行状态；另一方面，它接收并处理来自 AM 的 Container启动 / 停止等各种请求。

​​​​​​​2.4 Container

Container 是 YARN 中的资源抽象，它封装了某个节点上的多维度资源，如内存、CPU、磁盘、网络等，当 AM 向 RM 申请资源时， RM 为 AM 返回的资源便是用 Container表示的。 YARN 会为每个任务分配一个 Container，且该任务只能使用该 Container 中描述的资源。需要注意的是， Container 不同于 MRv1 中的 slot，它是一个动态资源划分单位，是根据应用程序的需求动态生成的。当下， YARN 仅支持 CPU 和内存两种资源，且使用了轻量级资源隔离机制 Cgroups 进行资源隔离 。

YARN支持各种数据处理引擎对HDFS中的数据进行批处理、交互式和流处理。在不同的场景中使用不同的框架，常见的包括MapReduce、Spark、Storm和Flink等Application。这种架构可以更好、更优雅地进行扩展。因此从一开始就内置了高可用性、安全性和多租户支持更多用户在大型集群上使用，新架构还将提高创新性，敏捷性和硬件利用率。

此外，YARN提供以下功能：

• 多租户：可以使用多个开放源代码和专有数据访问引擎来批量、交互式和实时访问同一数据集。多租户数据处理可提高企业在Hadoop投资上的回报。
• Docker容器化：可以使用Docker容器化来并行运行同一应用程序的多个版本。
• 集群利用率：可以动态分配群集资源以提高资源利用率。
• 多种资源类型：可以使用多种资源类型，例如CPU和内存。
• 可扩展性：提高了数据中心的处理能力。YARN的ResourceManager仅专注于调度，并在集群扩展到管理数PB数据的数千个节点时保持同步。
• 兼容性：Hadoop 1.x的MapReduce应用程序可在YARN上运行，而不会破坏现有流程。YARN与Hadoop的先前稳定版本保持API兼容性。

三、YARN通信协议

RPC 协议是连接各个组件的“大动脉”，了解不同组件之间的 RPC 协议有助于更深入地理解学习 YARN 框架。在 YARN 中，任何两个需相互通信的组件之间仅有一个 RPC 协议，而对于任何一个 RPC 协议，通信双方有一端是 Client，另一端为 Server，且 Client 总是主动连接 Server 的，因此， YARN 实际上采用的是拉式（pull-based）通信模型。

如上图所示，箭头指向的组件是 RPC Server，而箭头尾部的组件是 RPC Client， YARN 主要由以下几个 RPC 协议组成 ：

• JobClient（作业提交客户端 ）与 RM 之间的协议 —ApplicationClientProtocol ：JobClient 通过该 RPC 协议提交应用程序、查询应用程序状态等。
• Admin（管理员）与 RM 之间的通信协议—ResourceManagerAdministrationProtocol：Admin 通过该 RPC 协议更新系统配置文件，比如节点黑白名单、用户队列权限等。
• AM 与 RM 之间的协议—ApplicationMasterProtocol ： AM 通过该 RPC 协议向 RM注册和撤销自己，并为各个任务申请资源。
• AM 与 NM 之 间 的 协 议 —ContainerManagementProtocol ： AM 通 过 该 RPC 要 求NM 启动或者停止 Container，获取各个 Container 的使用状态等信息。
• NM 与 RM 之间的协议—ResourceTracker ： NM 通过该 RPC 协议向 RM 注册，并定时发送心跳信息汇报当前节点的资源使用情况和 Container 运行情况。

为了提高 Hadoop 的向后兼容性和不同版本之间的兼容性， YARN 中的序列化框架采用

了 Google 开源的 Protocol Buffers。

四、​​​​​​​YARN 工作流程

运行在Hadoop YARN 上的应用程序主要分为两类 ：短应用程序和长应用程序。

1. 短应用程序：指一定时间内（可能是秒级、分钟级或小时级，尽管天级别或者更长时间的也存在，但非常少）可运行完成并正常退出的应用程序，比如 MapReduce 作业、 Spark 作业等；
2. 长应用程序：指不出意外，永不终止运行的应用程序，通常是一些服务，比如 Storm Service（主要包括 Nimbus 和 Supervisor 两类服务）， Flink（包括 JobManager和 TaskManager两类服务） 等，而它们本身作为一个框架提供了编程接口供用户使用。

尽管这两类应用程序作用不同，一类直接运行数据处理程序，一类用于部署服务（服务之上再运行数据处理程序），但运行在 YARN 上的流程是相同的。

当用户向 YARN 中提交一个应用程序后， YARN 将分两个阶段运行该应用程序 ：第一
个阶段是启动 ApplicationMaster ；第二个阶段是由 ApplicationMaster 创建应用程序，为它
申请资源，并监控它的整个运行过程，直到运行完成。

如上图所示， YARN 的工作流程分为以下几个步骤：

• 第1步、用户向YARN中提交应用程序，其中包括ApplicationMaster程序、启动ApplicationMaster 的命令、用户程序等。
• 第2步、ResourceManager 为该应用程序分配第一个Container，并与对应的 NodeManager通信，要求它在这个 Container 中启动应用程序的 ApplicationMaster。
• 第3步、ApplicationMaster 首先向 ResourceManager 注册，这样用户可以直接通过ResourceManage 查看应用程序的运行状态，然后它将为各个任务申请资源，并监控它的运行状态，直到运行结束，即重复步骤 4~7。
• 第4步、ApplicationMaster 采用轮询的方式通过 RPC 协议向 ResourceManager 申请和领取资源。
• 第5步、一旦 ApplicationMaster 申请到资源后，便与对应的 NodeManager 通信，要求它启动任务。
• 第6步、NodeManager 为任务设置好运行环境（包括环境变量、 JAR 包、二进制程序等）后，将任务启动命令写到一个脚本中，并通过运行该脚本启动任务。
• 第7步、各个任务通过某个 RPC 协议向 ApplicationMaster 汇报自己的状态和进度，以让 ApplicationMaster 随时掌握各个任务的运行状态，从而可以在任务失败时重新启动任务。在应用程序运行过程中，用户可随时通过 RPC 向 ApplicationMaster 查询应用程序的当前运行状态。
• 第8步、应用程序运行完成后，ApplicationMaster 向 ResourceManager 注销并关闭自己。

YARN 正是一个资源管理系统，它的出现弱化了计算框架之争，引入 YARN 这一层后，各种计算框架可各自发挥自己的优势，并由 YARN 进行统一管理，进而运行在一个大集群上。截至本书出版时，各种开源系统都在开发 YARN 版本，包括 MapReduce、 Spark、 Storm、 Flink等。