原理与架构

原理与架构

首先,再次需要强调 Mesos 自身只是一个资源调度框架,并非一整套完整的应用管理平台,所以只有 Mesos 自己是不能干活的。但是基于 Mesos,可以比较容易地为各种应用管理框架或者中间件平台(作为 Mesos 的应用)提供分布式运行能力;同时多个框架也可以同时运行在一个 Mesos 集群中,提高整体的资源使用效率。

Mesos 对自己定位范围的划分,使得它要完成的任务很明确,其它任务框架也可以很容易的与它进行整合。

架构

下面这张基本架构图来自 Mesos 官方。

mesos 的基本架构

可以看出,Mesos 采用了经典的主-从(master-slave)架构,其中主节点(管理节点)可以使用 zookeeper 来做 HA。

Mesos master 服务将运行在主节点上,Mesos slave 服务则需要运行在各个计算任务节点上。

负责完成具体任务的应用框架们,跟 Mesos master 进行交互,来申请资源。

基本单元

Mesos 中有三个基本的组件:管理服务(master)、任务服务(slave)以及应用框架(framework)。

管理服务 - master

跟大部分分布式系统中类似,主节点起到管理作用,将看到全局的信息,负责不同应用框架之间的资源调度和逻辑控制。应用框架需要注册到管理服务上才能被使用。

用户和应用需要通过主节点提供的 API 来获取集群状态和操作集群资源。

任务服务 - slave

负责汇报本从节点上的资源状态(空闲资源、运行状态等等)给主节点,并负责隔离本地资源来执行主节点分配的具体任务。

隔离机制目前包括各种容器机制,包括 LXC、Docker 等。

应用框架 - framework

应用框架是实际干活的,包括两个主要组件:

应用框架可以分两种:一种是对资源的需求是会扩展的(比如 Hadoop、Spark 等),申请后还可能调整;一种是对资源需求大小是固定的(MPI 等),一次申请即可。

调度

对于一个资源调度框架来说,最核心的就是调度机制,怎么能快速高效地完成对某个应用框架资源的分配,是核心竞争力所在。最理想情况下(大部分时候都无法实现),最好是能猜到应用们的实际需求,实现最大化的资源使用率。

Mesos 为了实现尽量优化的调度,采取了两层(two-layer)的调度算法。

算法基本过程

调度的基本思路很简单,master 先全局调度一大块资源给某个 framework,framework 自己再实现内部的细粒度调度,决定哪个任务用多少资源。两层调度简化了 Mesos master 自身的调度过程,通过将复杂的细粒度调度交由 framework 实现,避免了 Mesos master 成为性能瓶颈。

调度机制支持插件机制来实现不同的策略。默认是 Dominant Resource Fairness(DRF)。

注:DRF 算法细节可以参考论文《Dominant Resource Fairness: Fair Allocation of Multiple Resource Types》。其核心思想是对不同类型资源的多个请求,计算请求的主资源类型,然后根据主资源进行公平分配。

调度过程

调度通过 offer 发送的方式进行交互。一个 offer 是一组资源,例如 <1 CPU, 2 GB Mem>

基本调度过程如下:

具体给出一个例子,某从节点向主节点汇报自己有 <4 CPU, 8 GB Mem> 的空闲资源,同时,主节点看到某个应用框架请求 <3 CPU, 6 GB Mem>,就创建一个 offer <slave#1, 4 CPU, 8 GB Mem> 把满足的资源发给应用框架。应用框架(的调度器)收到 offer 后觉得可以接受,就回复主节点,并告诉主节点希望运行两个任务:一个占用 <1 CPU, 2 GB Mem>,一个占用 一个占用 <2 CPU, 4 GB Mem>。主节点收到任务信息后分配任务到从节点上进行运行(实际上是应用框架的执行器来负责执行任务)。任务运行结束后资源可以被释放出来。

剩余的资源还可以继续分配给其他应用框架或任务。

应用框架在收到 offer 后,如果 offer 不满足自己的偏好(例如希望继续使用上次的 slave 节点),则可以选择拒绝 offer,等待 master 发送新的 offer 过来。另外,可以通过过滤器机制来加快资源的分配过程。

过滤器

framework 可以通过过滤器机制告诉 master 它的资源偏好,比如希望分配过来的 offer 有哪个资源,或者至少有多少资源等。

过滤器可以避免某些应用资源长期分配不到所需要的资源的情况,加速整个资源分配的交互过程。

回收机制

为了避免某些任务长期占用集群中资源,Mesos 也支持回收机制。

主节点可以定期回收计算节点上的任务所占用的资源,可以动态调整长期任务和短期任务的分布。

HA

从架构上看,最为核心的节点是 master 节点。除了使用 ZooKeeper 来解决单点失效问题之外,Mesos 的 master 节点自身还提供了很高的鲁棒性。

Mesos master 节点在重启后,可以动态通过 slave 和 framework 发来的消息重建内部状态,虽然可能导致一定的时延,但这避免了传统控制节点对数据库的依赖。

当然,为了减少 master 节点的负载过大,在集群中 slave 节点数目较多的时候,要避免把各种通知的周期配置的过短。实践中,可以通过部署多个 Mesos 集群来保持单个集群的规模不要过大。