HDFS 原理与应用 ｜ 青训营笔记

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这是我参与「第四届青训营 」笔记创作活动的第7天

Lecture08. HDFS 原理与应用

01.HDFS基本介绍

HDFS：Hadoop Distributed File System

1.1 Windows单机文件系统

常见：

  • NTFS
  • FAT32
  • exFAT

1.2 Linux单机文件系统

常见：

  • BTRFS
  • ZFS
  • XFS
  • EXT4

Linux目前支持将近100种文件系统

1.3 分布式文件系统

单机文件系统的衍生

好处：

  • 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：不需要高端硬件来扩容

1.4 分布式存储系统

1.5 HDFS功能特性

业务发展推动技术创新

  • 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

    • GFS：第一次将研究大规模用到业界上

  • 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高可用

  • 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

1.6 演示环境 - HDFS节点

Zookeeper、JournalNode：实现了高可用

NameNode、DataNode：存储

02.架构原理

2.1 HDFS组件

HDFS三大件

NameNode：

  • 数量少，但是最复杂的部分
  • 是整个系统的中枢节点

2.2 Client写流程

RPC流程

  1. 写在哪里？
  2. 写三个副本pipeline写

2.3 Client读流程

  1. 放在哪里了？
  2. 只需要和一个节点交互就可读

2.4 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

    • 文件被切分成多个块，文件以数据块为单位进行多副本存放

  • 维护文件块存放节点信息

    • 通过接收DataNode的心跳汇报信息，维护集群节点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，需要有NameNode来确定分配目标DataNode

2.5 数据节点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

03.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（大规模采用）、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，如何高效得存取硬盘数据。

3.1 NameNode目录树维护

FsImage：镜像文件

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

EditLog：实时刷到硬盘上

如何实现EditLog的共享？

  • 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

3.2 NameNode数据放置

客户端向NameNode询问放在哪

NameNode是以数据块block为单位做副本存放：一个文件被分为多个块

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：通过DataNode汇报，再自己动态构造，不会持久化保存

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（每个节点放一点：高可用）

3.3 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在内存中

3.4 HDFS写异常处理

Lease Recovery

情景：文件写了一半，client自己挂掉了。可能出现的问题：

  • 副本不一致
  • Lease无法释放

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

解决方法：Lease Recovery

副本不一致：选最小的作最终版本

Lease无法释放：十分钟的超时时间，无法续约，就判断为挂

Pipeline Recovery

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

解决方法︰Pipeline Recovery，重新构建

3.5 Client读异常处理

情景∶读取文件的过程，DataNode侧出现异常挂掉了

增强情景：DataNode半死不活，读取非常慢

解决方法∶节点Failover、慢节点检测

3.6 旁路系统

异步解决一些问题：项目上线后，之前隐藏的问题越积越多

Balancer：均衡DataNode的容量

Mover：确保副本放置符合策略要求

3.7 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
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