HDFS Federation[官网整理]

【HDFS Federation(2.2+)】

一、Background

    HDFS数据存储主要有两层：

    1、 Namespace，包含“目录”、“文件”、“blocks”信息，支持所有的与namepace相关的文件系统的操作，例如目创建、删除、修改，以及对目录文件的列表操作。

    2、Block存储服务：

        A) Block管理：Namenode负责，集群中的Datanodes向Namenode注册状态且间歇性的发送心跳；Namenode接收Datanodes提交的Blocks报告，并负责维护Blocks的位置关系；支撑Blocks相关的操作，例如Block的创建、删除、修改、迁移，以及获取block的位置信息；管理replicas的放置，以及对under-replicated的blocks进行备份，以及删除over-replicated的多余的blocks。

        B) Storage：由Datanodes负责，用于提供Blocks实际数据的存储和读写操作。

    HDFS架构中，集群中只允许一个Namespace，即一个Namenode管理Namespace。HDFS Federation(联盟)通过在HDFS文件系统中增加支持多个Namenodes/namespaces，以解决这种架构上的限制。

二、Multiple Namenodes/Namespaces

    为了水平扩展name service，Federation使用了多个独立的Namenodes/namespace。Namenodes是联合的(federated)，即他们互相独立，不需要彼此间互相协同。Datanodes作为普通的存储，服务于所有的Namenodes。每个Datanodes会与集群中所有的Namenodes注册，Datanodes向Namenodes发送心跳和Block reports，以及处理Namenodes发送的指令。

    1、Block Pool

    Block Pool就是同一个namespace下的多个Blocks的集合。Datanodes为整个集群中所有Block pools提供存储服务。各个Block pool在被管理上是互相独立的。每个Namespace会为新的Block生成Block ID，而且无需和其他Namespace协调；一个Namenode的失效，不会影响Datanodes继续为其他Namendoes服务。(每个Namespace对应一个Block Pool)

    Namespace与其Block pool统称“Namespace volume”，它是一个子包含(selft-contained)的管理单元。当一个Namenode/Namespace被删除，那么Namespace对应的Block Poll也将被删除。每个Namespace Volume在软件更新时(ungrade)也作为一个单元。

    2、ClusterID

    一个新的标识ClusterID添加到集群，用来标记所有的Nodes，当Namenode格式化时(formated)，将会自动创建ClusterID，这个ID用来区分集群中的Namenodes。

    3、Key Benefits(主要收益)

        A) Namespace 扩展性：HDFS集群中存储层可以水平扩展，但是namespace无法做到，大规模集群部署或者系统中有较多的小文件时，将可以通过添加多个Namenodes实现namespace的水平扩展。

        B) 性能：根据HDFS的架构，文件系统操作的吞吐量将受限于单个Namenode，通过添加多个Namenodes的方式扩展文件系统，可以提升其读写能力。

        C) Isolation(隔离)：单个Namenode在多用户环境中无法提供“隔离”。一个测试(experimental)程序可以将Namenode过载，并拖慢production核心应用。通过使用多个Namenode，将不同类型的应用和用户隔离到不同的Namenodes中。(环境 + 用户隔离)

三、Federation配置

    Federation配置时向后兼容的，对于现存的单Namenode配置而言，不需要任何修改即可工作。新的配置文件可以在所有的nodes都一样，不需要根据node类型而部署不同的配置文件。

    一个新的概念NameServiceID被添加到Federation中，Namdenode和相应的SNN、backup、checkpoiner节点都按照NameServiceID划分。为了能够在一个配置文件中支持Federation(即多Namenodes)，那么和Namenode、SNN、backup、checkpoint配置参数，都需要以相应的NameServiceID作为后缀。

    1、配置

         A) Step 1：将"dfs.nameservices"配置项添加到hdfs-site.xml中，它的值为NameServiceID列表，以“,”分割；Datanodes将使用它们来判断集群中的Namenodes。

        B) Step 2：每个Namenode、SNN、Backup、Checkpointer中，将下文中几个配置项添加到配置文件中，每个配置项以对应的NameServiceID作为后缀。(hdfs-site.xml)

    配置样例：

<configuration>
  <property>
    <name>dfs.nameservices</name>
    <value>ns1,ns2</value>
  </property>
  <property>
    <name>dfs.namenode.rpc-address.ns1</name>
    <value>nn-host1:rpc-port</value>
  </property>
  <property>
    <name>dfs.namenode.http-address.ns1</name>
    <value>nn-host1:http-port</value>
  </property>
  <property>
    <name>dfs.namenode.secondaryhttp-address.ns1</name>
    <value>snn-host1:http-port</value>
  </property>
  <property>
    <name>dfs.namenode.rpc-address.ns2</name>
    <value>nn-host2:rpc-port</value>
  </property>
  <property>
    <name>dfs.namenode.http-address.ns2</name>
    <value>nn-host2:http-port</value>
  </property>
  <property>
    <name>dfs.namenode.secondaryhttp-address.ns2</name>
    <value>snn-host2:http-port</value>
  </property>

  .... Other common configuration ...
</configuration>

    如果配置中，上述配置项没有NameServiceID作为后缀，将默认对所有的NameService有效。

    2、格式化Namenodes

    一次在每个Namenode上执行“bin/hdfs namenode -format [-clusterId <clusterId>]”，format指令可以指定clusterID，如果不指定将自动生成一个唯一的ClusterID。(基于UUID生成，因此多次format事实上UUID不变，参见，Namenode#format)

    因为ClusterID是标记集群的唯一标记，那么一个集群中所有的Nodes包括Namenodes都应该持有相同的ClusterID，否则这些Namenodes将不能构建Federation。

    因此在集群中所有的Namenodes上执行-format指令时，需要指定相同的ClusterID。对于默认生成的ClusterID，可以在"${dfs.namenode.name.dir}/current"目录下的VERSION文件中获得，并将此值传递给后续的其他Namenodes。

    3、向集群添加新的Namenode

    基于集群中现有的配置文件，将新的Namenode相关的配置项添加到配置文件中(以NameserviceID作为后缀)。调整结束后，将配置文件同步分发给集群中所有的nodes，然后启动当前Namenode、Backup、SNN等。

    因为配置文件的修改，通常需要重启集群，这是一种比较保守且安全的方式。不过因为Federation就是实现环境隔离的，所以我们可以只启动那些与新Namenode有关的Datanodes，那么只有这些Datanodes上会存储此Namenode有关的blocks，通过-refreshNamenodes指令可以实现不重启Datanodes的情况下，让其刷新并加载新的Namenode，此后它会与新Namenode注册。

    “hdfs dfsadmin -refreshNamenodes <datanodehost:port>”

    不过为了安全起见，建议将refresh集群中的所有Datanodes。

四、集群管理

    1、Startup and Stop

    通常我们可以使用“sbin/start-dfs.sh”、“sbin/stop-dfs.sh”来分别启动和关闭集群中所有的守护进程，是一个便捷的方式。此指令可以在集群中任何node上运行，指令可以根据配置文件来判断Namenode(hdfs-site.xml)以及其他nodes的位置(slaves)，并SSH到各个node依次执行。

    2、Balancer

    Relancer机制是HDFS中很重要的特性，用来动态平衡集群中存储资源的放置位置。start-dfs.sh默认并不会启动balancer，因此balancer功能组件需要额外运行：

    “sbin/start-balancer.sh [-policy <node | blockpool>] [-threshold <num>]”

      -policy参数指定balancer使用的策略，有两个合法值“node”、“blockpool”，其中node为默认值，表示balancing将基于datanode级别；“blockpool”只能在Federation架构下有效，balancer级别为“blockpool”表示每个datanode上每个blockpool的blocks个数分布均衡。建议保持默认。