HDFS的新特性Federation

Posted 2021-04-14 王sir说运维

作者 | 王sir说运维

1单个Namenode的HDFS架构的局限性

Namespace（命名空间）的限制

由于Namenode在内存中存储所有的元数据（metadata），因此单个Namenode所能存储的对象（文件+块）数目受到Namenode所在JVM的heap size的限制。例如，在NameNode的配置文件中配置JVM 的heap size 的-Xmx为50G的话，大概能够存储20亿（200 million）个对象。

性能的瓶颈

由于是单个Namenode的HDFS架构（这里一定和HA区别开来），因此整个HDFS文件系统的吞吐量受限于单个Namenode的吞吐量，在NameNode很繁忙的时候，打一下管理命令都可能报错。比如：hdfs fsck /  这种耗时较长，需要大量访问NameNode的命令。

隔离问题

如果HDFS仅有一个Namenode，无法隔离各个用户的应用，因此，假如在HDFS上运行的一个未充分测试的程序很有可能影响到（减慢）生产环境HDFS上运行的程序。在HDFS  Federation中，可以用不同的Namespace来隔离不同的用户应用程序，使得不同Namespace Volume中的程序相互不影响。

集群的可用性

在只有一个Namenode的HDFS中，此Namenode的宕机无疑会导致整个集群不可用，当然这里有HA的集群不在这个范围中。

需要注意的，HDFS Federation并不能解决单点故障问题，也就是说，每个NameNode都存在在单点故障问题，你需要为每个namenode部署一个backup namenode以应对NameNode挂掉对业务产生的影响。

2为什么纵向扩展目前的Namenode不可行

比如将Namenode的Heap空间扩大10倍，由原来的50G增大到500GB，这样纵向扩展带来的

第一个问题就是启动问题，启动花费的时间太长。因为，启动的过程中读的fsimage和editlog，当内存设置到500G时，你的fsimage会非常大。

配置50GB Heap size时，Namenode的HDFS启动一次大概需要半个小时，甚至更久，那500GB的需要多久？ 这个不是线性的扩大10倍的问题，即使线性扩大10倍，那也不是客户所能接受的。

第二个潜在的问题就是Namenode在Full GC时，如果发生错误将会导致整个集群宕机，Full GC 的时间会变得很长，长的超过集群大部分的超时时间。

第三个问题是对大JVM Heap进行调试比较困难。优化Namenode的内存使用性价比比较低。

3为什么要引入Federation

Federation中文意思为联邦,联盟，是NameNode的Federation,也就是会有多个NameNode。

Federation能够快速的解决了大部分单Namenode HDFS的问题。

Federation  整个核心设计实现大概用了3.5个月。大部分改变是在Datanode、Config和Tools，而Namenode本身的改动非常少，这样Namenode原先的鲁棒性不会受到影响。

Federation良好的向后兼容性，已有的单Namenode的部署配置不需要任何改变就可以继续工作。

4HDFS的Federation机制

HDFS Federation使用了多个独立的Namenode/namespace来使得HDFS的命名服务能够水平扩展。在HDFS  Federation中的Namenode之间是联盟关系，他们之间相互独立且不需要相互协调。HDFS Federation中的Namenode提供了命名空间和块管理功能。HDFS Federation中的datanode被所有的Namenode用作公共存储块的地方。

每一个datanode都会向所在集群中所有的Namenode注册，并且会周期性的发送心跳和块信息报告，同时处理来自Namenode的指令。

HDFS的两大两大模块得先了解下

Namespace

包括目录、文件和块，它支持所有命名空间相关的文件操作，如创建、删除、修改，查看所有文件和目录。

Block Storage Service（块存储服务）包括两部分

在namenode中的块的管理

• 提供datanode集群的注册、心跳检测等功能。

• 处理块的报告信息和维护块的位置信息。

• 支持块相关的操作，如创建、删除、修改、获取块的位置信息。

• 管理块的冗余信息、创建副本、删除多余的副本等。

存储：datanode提供本地文件系统上块的存储、读写、访问等。

4Federation HDFS与当前HDFS的比较及改进

架构的变化

单NameNode架构中，HDFS只有一个命名空间（Namespace），它控制管理集群中全部的块。而Federation  HDFS中有多个独立的命名空间（Namespace），并且每一个命名空间使用一个块池（block pool）。

单NameNode架构中，HDFS中只有一组块，而Federation  HDFS中有多组独立的块。块池（block  pool）就是属于同一个命名空间的一组块。

单NameNode架构中，HDFS由一个Namenode和一组datanode组成。而Federation HDFS由多个Namenode和一组datanode，每一个datanode会为多个块池（block pool）存储块。

Namenode

namenode直接相互独立，各自分工管理自己的区域，且不需要互相协调，一个namenode挂掉了不会影响其他的namenode。

Block Pool(块池)

Block pool(块池)就是属于某一个命名空间的一组block(块)。每一个datanode 可以为所有的block pool存储块。Datanode是一个物理概念，而block pool是一个重新将block划分的逻辑概念。

同一个datanode中可以存着属于多个block pool的多个块。Block pool允许一个命名空间在不通知其他命名空间的情况下为一个新的block创建Block ID。

一个Namenode挂掉后不会影响其下的datanode为其他Namenode的服务。当datanode与Namenode建立联系并开始会话后自动建立Block pool。每个block都有一个唯一的标识， 这个标识我们称之为扩展的块ID（Extended Block ID）= BlockID+BlockID。这个扩展的块ID在HDFS集群之间都是唯一的，这为以后集群归并创造了条件。

Datanode中的数据结构都通过块池ID（BlockPoolID）索引，即datanode中的BlockMap，storage等都通过BPID索引。在HDFS中，所有的更新、回滚都是以Namenode和BlockPool为单元发生的。即同一HDFS Federation中不同的Namenode/BlockPool之间没有什么关系。

Datanode的改进

在datanode中，对应于每个Namnode都有相应的线程。每个datanode会去每一个Namenode注册，并且周期性的给所有的Namenode发送心跳及datanode的使用报告。

Datanode还会给Namenode发送其所在的block pool的block report（块报告）。由于有多个Namenode同时存在，因此任何一个Namenode都可以随时动态加入、删除和更新。

多命名空间的管理问题

在一个集群中需要唯一的命名空间还是多个命名空间，核心问题是命名空间中数据的共享和访问的问题。在多命名空间下，可以使用Client Side Mount Table方式做到数据共享和访问，而Client Side Mount Table 则是通过新的文件系统viewfs实现的。后面写一篇文章单独详细展开讲解。

Namespace Volume（命名空间卷）

一个Namespace和它的Block Pool合在一起称作Namespace Volume。Namespace Volume是一个独立完整的管理单元。当一个Namenode/Namespace被删除，与之相对应的Block Pool也也被删除。在升级时每一个Namespace Volume也会整体作为一个单元。

ClusterID

在HDFS  Federation中添加了Cluster  ID用来区分集群中的每个节点。当格式化一个Namenode时，这个ClusterID会自动生成或者手动提供。在格式化同一集群中其他Namenode时会用到这个ClusterID。

HDFS Federation对老版本的HDFS是兼容的

这种兼容性可以使得已有的Namenode配置不需要任何改变继续工作。

平衡的配置有针对blockpool的选项了

Balancer 已经被用来改变集群中多个NameNode的的平衡。可以运行下面的命令：

hdfs start balancer [-policy <policy>]Policy：node -默认的策略。这个会平衡datanode的存储，和先前的版本类似。blockpool - 针对block 池平衡。平衡block池存储也会平衡datanode。