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Hadoop分布式文件系统:架构和设计要点

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原文: http://zior.org/archives/196.html  ,包含系列框图。

 

 


一、前提和设计目标

1、硬件错误是常态,而非异常情况,HDFS可能是有成百上千的server组成,任何一个组件都有可能一直失效,因此错误检测和快速、自动的恢复是HDFS的核心架构目标。

3、HDFS以支持大数据集合为目标,一个存储在上面的典型文件大小一般都在千兆至T字节,一个单一HDFS实例应该能支撑数以千万计的文件。

5、移动计算的代价比之移动数据的代价低。一个应用请求的计算,离它操作的数据越近就越高效,这在数据达到海量级别的时候更是如此。将计算移动到数据附近,比之将数据移动到应用所在显然更好,HDFS提供给应用这样的接口。

HDFS采用master/slave架构。一个HDFS集群是有一个Namenode和一定数目的Datanode组成。Namenode是一个中心服务器,负责管理文件系统的namespace和客户端对文件的访问。Datanode在集群中一般是一个节点一个,负责管理节点上它们附带的存储。在内 部,一个文件其实分成一个或多个block,这些block存储在Datanode集合里。Namenode执行文件系统的namespace操作,例如 打开、关闭、重命名文件和目录,同时决定block到具体Datanode节点的映射。Datanode在Namenode的指挥下进行block的创 建、删除和复制。Namenode和Datanode都是设计成可以跑在普通的廉价的运行linux的机器上。HDFS采用java语言开发,因此可以部 署在很大范围的机器上。一个典型的部署场景是一台机器跑一个单独的Namenode节点,集群中的其他机器各跑一个Datanode实例。这个架构并不排 除一台机器上跑多个Datanode,不过这比较少见。

HDFS支持传统的层次型文件组织,与大多数其他文件系统类似,用户可以创建目录,并在其间创建、删除、移动和重命名文件。HDFS不支持user quotas和访问权限,也不支持链接(link),不过当前的架构并不排除实现这些特性。Namenode维护文件系统的namespace,任何对文 件系统namespace和文件属性的修改都将被Namenode记录下来。应用可以设置HDFS保存的文件的副本数目,文件副本的数目称为文件的 replication因子,这个信息也是由Namenode保存。

四、数据复制



1、副本的存放,副本的存放是HDFS可靠性和性能的关键。HDFS采用一种称为rack-aware的策略来改进数据的可靠性、有效性和网络带宽的利 用。这个策略实现的短期目标是验证在生产环境下的表现,观察它的行为,构建测试和研究的基础,以便实现更先进的策略。庞大的HDFS实例一般运行在多个机 架的计算机形成的集群上,不同机架间的两台机器的通讯需要通过交换机,显然通常情况下,同一个机架内的两个节点间的带宽会比不同机架间的两台机器的带宽 大。

在大多数情况下,replication因子是3,HDFS的存放策略是将一个副本存放在本地机架上的节点,一个副本放在同一机架上的另一个节点,最后一 个副本放在不同机架上的一个节点。机架的错误远远比节点的错误少,这个策略不会影响到数据的可靠性和有效性。三分之一的副本在一个节点上,三分之二在一个 机架上,其他保存在剩下的机架中,这一策略改进了写的性能。

2、副本的选择,为了降低整体的带宽消耗和读延时,HDFS会尽量让reader读最近的副本。如果在reader的同一个机架上有一个副本,那么就读该副本。如果一个HDFS集群跨越多个数据中心,那么reader也将首先尝试读本地数据中心的副本。

3、SafeMode

Namenode存储HDFS的元数据。对于任何对文件元数据产生修改的操作,Namenode都使用一个称为Editlog的事务日志记录下来。例如, 在HDFS中创建一个文件,Namenode就会在Editlog中插入一条记录来表示;同样,修改文件的replication因子也将往 Editlog插入一条记录。Namenode在本地OS的文件系统中存储这个Editlog。整个文件系统的namespace,包括block到文件 的映射、文件的属性,都存储在称为FsImage的文件中,这个文件也是放在Namenode所在系统的文件系统上。

Datanode并不知道关于文件的任何东西,除了将文件中的数据保存在本地的文件系统上。它把每个HDFS数据块存储在本地文件系统上隔离的文件中。 Datanode并不在同一个目录创建所有的文件,相反,它用启发式地方法来确定每个目录的最佳文件数目,并且在适当的时候创建子目录。在同一个目录创建 所有的文件不是最优的选择,因为本地文件系统可能无法高效地在单一目录中支持大量的文件。当一个Datanode启动时,它扫描本地文件系统,对这些本地 文件产生相应的一个所有HDFS数据块的列表,然后发送报告到Namenode,这个报告就是Blockreport。

六、通讯协议

HDFS的主要目标就是实现在失败情况下的数据存储可靠性。常见的三种失败:Namenode failures, Datanode failures和网络分割(network partitions)。

每个Datanode节点都向Namenode周期性地发送心跳包。网络切割可能导致一部分Datanode跟Namenode失去联系。 Namenode通过心跳包的缺失检测到这一情况,并将这些Datanode标记为dead,不会将新的IO请求发给它们。寄存在dead Datanode上的任何数据将不再有效。Datanode的死亡可能引起一些block的副本数目低于指定值,Namenode不断地跟踪需要复制的 block,在任何需要的情况下启动复制。在下列情况可能需要重新复制:某个Datanode节点失效,某个副本遭到损坏,Datanode上的硬盘错 误,或者文件的replication因子增大。

2、集群均衡

从某个Datanode获取的数据块有可能是损坏的,这个损坏可能是由于Datanode的存储设备错误、网络错误或者软件bug造成的。HDFS客户端 软件实现了HDFS文件内容的校验和。当某个客户端创建一个新的HDFS文件,会计算这个文件每个block的校验和,并作为一个单独的隐藏文件保存这些 校验和在同一个HDFS namespace下。当客户端检索文件内容,它会确认从Datanode获取的数据跟相应的校验和文件中的校验和是否匹配,如果不匹配,客户端可以选择 从其他Datanode获取该block的副本。

4、元数据磁盘错误

Namenode在HDFS是单点存在,如果Namenode所在的机器错误,手工的干预是必须的。目前,在另一台机器上重启因故障而停止服务的Namenode这个功能还没实现。

5、快照

1、数据块

2、步骤

上述方法是对通过对HDFS上运行的目标应用认真考虑的结果。如果不采用客户端缓存,由于网络速度和网络堵塞会对吞估量造成比较大的影响。

3、流水线复制

HDFS给应用提供了多种访问方式,可以通过DFSShell通过命令行与HDFS数据进行交互,可以通过java API调用,也可以通过C语言的封装API访问,并且提供了浏览器访问的方式。正在开发通过WebDav协议访问的方式。具体使用参考文档。

1、文件的删除和恢复

当被删除的文件还保留在/trash目录中的时候,如果用户想恢复这个文件,可以检索浏览/trash目录并检索该文件。/trash目录仅仅保存被删除 文件的最近一次拷贝。/trash目录与其他文件目录没有什么不同,除了一点:HDFS在该目录上应用了一个特殊的策略来自动删除文件,目前的默认策略是 删除保留超过6小时的文件,这个策略以后会定义成可配置的接口。

2、Replication因子的减小

HDFS Java API: http://hadoop.apache.org/core/docs/current/api/

 

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