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Dpark Note 1: Mesos

终于花一周时间理了一遍 dpark 的逻辑，原始的笔记放在了 evernote，刚刚放下一天就不忍直视了，在这里尝试提炼一下。目测把内容堆到一篇 blog 里有些吃力，还是计划分成三篇然后祈祷不要坑掉好了。

dpark 在项目开始之初的定位为 spark 的 python 版实现，思路基本一致，读代码时可以相互参考。尤其是刚刚开始阅读代码时，对各逻辑结构心里没底，spark 代码中的类型签名能够起到很棒的引导作用。然而毕竟 spark 的代码规模更大一些， 总体而言仍是 dpark 更容易读完。

spark 将设计构建于 mesos 平台之上，很多代码都是围绕着 Mesos 的接口展开，在这里先简单记录一下 Mesos 的基础概念和基本的接口，在此暂且无意深究 Mesos 的内部实现。

Background

Mesos 是一个专门为集群计算框架设计的基础设施，就像虚拟化允许大家在一个物理机器上运行多个操作系统， Mesos 允许我们在同一个集群中执行多个计算框架，比如 Hadoop,MPI,Spark,Storm 等等，把它们放在各自的 cgroup 里，实现资源的隔离。

在同一个集群中跑这么多不同的框架有什么用处？比较直接的一个回答是，Map Reduce 其实是个很受限制的计算模型，对于一些特定的情景，可能其它的某些计算模型更为适用，一个例子就是为高实时的流式计算而设计的 Storm。如果有一般的数据分析需求，也有流式计算的需求，那么分别搭建 Hadoop 集群和 Storm 集群明显是不经济的。另外，即使没有特殊的计算需求，使用 Mesos 管理计算集群仍有很大的好处：集群的维护与更新是一件头疼的事情，曾经雅虎有段时间用的 Hadoop 版本都非常老，却不敢升级，担心现有的业务代码坏掉。Mesos 既然支持多个计算框架共存，当然也支持某计算框架的多个版本共存，作为接近 rvm 这种版本管理器的存在。

Design

Mesos 作为集群计算框架的基础设施，统筹计算资源的分配与管理，它的核心其实是一个调度器。调度的基本单位是 Task，这就引出了一个问题，不同的计算框架对于 Task 的解读并不相同，它们往往也有自己独特的调度需求，实现了自己的Task类、自己的调度器。Mesos 提供的是怎样的一套通用方案，使各位都满意？答案是一个两级调度器，Mesos 仅负责资源的调度，做到对每个任务都公平，至于各任务孰先孰后的调度则交与计算框架去负责。

集群中一旦有节点空闲，Mesos 就会统计这个节点内的资源，包装成 Offer 分发给需要资源的计算框架，然而 Mesos 对计算框架的需求并不太清楚，给出的 Offer 并不一定满足计算框架的需求，比如内存太小、CPU太少，Mesos 允许框架拒绝不合适的 Offer，如果被拒绝，它就继续拿这个 Offer 尝试发给其它计算框架。然而对于计算框架而言，拒绝掉 Offer 就意味着需要继续等待一段时间，作为对这段时间的补偿，Mesos总是优先调度等待时间最长的计算框架。就 “公平” 的意义而言，这与 Linux 的 CFS 调度器的思路有点相似。

Mesos 为计算框架设计了两个接口：Scheduler 和 Executor，前者作用于 Master，即执行代码的那台机器 [^1]，既是 Mesos 调度器的接口，也是计算框架的任务调度器；后者作用于 Slave，即计算节点，用于执行来自于 Master 分配的任务，当然任务的分配是经过 Mesos 中转的。它们都是被动地接受来自 Mesos 的回调的接口，至于主动调用 Mesos 的接口，是 MesosSchedulerDriver，它可以用来向 Mesos 申请 Offer、提交 Task、返回计算结果等等。

一个任务的大体生命周期如下：

  • 计算框架首先主动地向 Mesos 申请计算资源
  • Mesos 的调度器发现了一个节点，有多少内存有多少CPU闲置，反馈给计算框架一个 Offer
  • 计算框架收到 Offer，判断这个 Offer 是否满足自己的需求。如果不满意，就拒掉它，直到有满足需求的 Offer 到手。
  • 计算框架将 Tasks 打包，带着 Offer 的凭据发给 Mesos。Mesos 收到打包的 Task，会把它发送到 Offer 对应的节点，交付守护的 Executor 进程执行。
  • Executor 执行完毕，会把任务的结束状态(成功?失败?)返回给 Mesos，Mesos 继而通知计算框架。

API

具体到 dpark，与 Mesos 交互的类主要是 MesosScheduler, MyExecutor 和 MesosSchedulerDriver。如果打算山寨一个集群计算框架，那么这三个类就相当于你的基础 API 了。下面仅列出几个代表性的方法：

dpark.schedule.MesosScheduler: 向 Mesos 申请资源，并安排任务的先后。

  • resourceOffers: 收到 Offer
  • offerRescinded: Offer 被拒绝
  • statusUpdate: 任务执行状态发生变化，比如有任务执行完毕了，有任务失败了
  • registered: 有新增计算节点

dpark.executor.Executor(MesosExecutor): 侦听 Mesos 的事件，接收任务执行真正的计算。此外，每个 Executor 也会开一个简单的 HttpServer，为其它节点传送本地的文件，这就属于 Mesos 调度之外的工作了。

  • registered: 连接到 master，在这里可以启动自己的 HttpServer
  • launchTask: 收到并执行任务
  • killTask: 杀死任务
  • shutdown: 关闭守护的进程

mesos.MesosSchedulerDriver: Mesos 的通信协议基于 protobuf2，为了方便请求的发送，dpark 中附带了 mesos_pb2.py 这么一个文件，包装了用到的消息。

  • reviveOffers(): 申请 Offer
  • launchTasks(): 将任务交付给 Mesos
  • sendStatusUpdate(): 更新任务的执行状态

Footnotes

  1. 用户执行代码的机器其实是集群的客户端，在逻辑上反而扮演者 Master 的角色。

Reference

  • Mesos: A Platform for Fine-Grained Resource Sharing in the Data Center
  • Spark: Cluster Computing with Working Sets
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