HDFS原理与应用 | 青训营笔记

HDFS 原理与应用

HDFS

Hadoop分布式文件系统(HDFS——Hadoop Distributed File System hadoop) 是指被设计成适合运行在 通用硬件(commodity hardware) 上的分布式文件系统（Distributed File System）。

分布式文件系统包括特征：

• 大容量：更多的机器，更多的存储介质
• 高可靠：多个副本提高容错能力
• 低成本：不需要高端硬件扩容

分布式存储系统由对象存储、文件系统、块存储、数据库组成

HDFS功能特性：

• 分布式：受GFS启发，用Java实现的开源系统，没有实现完整的POSIX文件系统语义
• 容错：自动处理，规避多种错误场景，例如常见的网络错误、机器宕机等
• 高可用：一主多备模式实现元数据高可用，数据多副本实现用户数据的多可用
• 高吞吐：Client直接从DataNode读取用户数据，服务端支持海量Client并发读写
• 可扩展：支持联邦集群模式，DataNode数量可达10w级别
• 廉价：只需要通用硬件，不需要定制高端的昂贵硬件设备

架构原理

HDFS组件

Clinet的写流程

Clinet读流程

元数据节点 NameNode

• 维护目录树：维护目录树的增删改查操作，保证所有修改都能持久化，以便机器掉电不会造成数据丢失或不一致
• 维护文件和数据块的关系：文件被切成多个块，文件以数据块为单位进行多副本存放
• 维护文件快存放节点信息：通过接受DataNode的心跳汇报信息，维护集群系欸但的拓扑结构和每个文件块所有副本所在的DataNode类表
• 分配新文件存放节点：Client创建新的文件时候，需要由NameNode来确定分配目标DataNode

数据结点DataNode

• 数据块存取：DataNode需要高效实现对数据块在硬盘上的存取
• 心跳汇报：把存放在本机的数据块 列表发送给NameNode，以便NameNode能维护数据块的位置信息，同时让NameNode确定该节点处于正常存活状态
• 副本复制：数据写入时Pipeline IO操作、机器故障时补全副本

HDFS关键设计

分布式存储系统基本概念

• 容错能力：能够处理绝大部分异常场景，例如服务器宕机、网络异常、磁盘故障、网络超时等
• 一致性模型：为了实现容错，数据必须多副本存放，一致性要解决的问题是如何保障这多个副本的内容都是一致的
• 可扩展性：分布式存储系统需要具备横向扩张scale-out的能力
• 节点体系：常见的有主从模式、对等模式等，不管哪种模式，高可用是必须的功能。
• 数据放置：系统是由多个节点组成，数据是多个副本存放时，需要考虑数据存放的策略
• 单机存储引擎：在绝大部分存储系统中，数据都是需要落盘持久化，单机引擎需要解决的是根据系统特点，如何高效的存取硬盘数据

NameNode目录树维护

fsimage

• 文件系统目录树
• 完整的存放在内存中
• 定时存放到硬盘上
• 修改时只会修改内存中的目录树

EditLog

• 目录树的修改日志
• client更新目录树需要持久化EditLog后才能表示更新成功
• EditLog可存放在本地文件系统，也可存放在专用系统上
• NameNode Ha方案一个关键点就是如何实现EditLog共享

NameNode数据放置

数据块信息维护

• 目录树保存每个文件的块ID
• NameNode维护了每个数据块所在的节点信息
• NameNode根据DataNode汇报的信息动态维护位置信息
• NameNode不会持久化数据块位置信息

数据放置策略

• 新数据存放到哪写节点
• 数据均衡需要怎么合理搬迁数据
• 3个副本怎么合理放置

按方式一存放，如果单机掉线，则无法获取到任何数据。

DataNode

数据块的硬盘存放

• 文件在NameNode已分割成block
• DataNode以block为单位对数据进行存取

启动扫盘

• DataNode需要知道本机存放了哪些数据块
• 启动时把本机硬盘上的数据块列表加载到内存中

HDFS写异常处理

客户端宕机

情景：文件写了一半，client自己挂掉了。可能产生的问题: 副本不一致、Lease无法释放；

租约(Lease) ：client要修改一个文件时，需要通过NameNode上锁，这个锁就是租约。

解决办法：Lease Recovery

服务端宕机

情景：文件写入过程中，DataNode侧出现异常挂掉了

异常出现的时机：创建连接时、数据传输时、complete阶段

解决办法：Pipeline Recovery

client读异常处理

情景：读取文件的过程中，DataNode侧出现异常挂掉了

解决办法：节点Failover

旁路系统

Balancer：均衡DataNode的容量

Mover：确保副本放置符合策略要求

控制面建设

可观测性设施：指标埋点、数据采集、访问日志、数据分析

运维体系建设：运维操作需要平台化、NameNode操作复杂、DataNode机器规模庞大、组件控制面API