HDFS 底层交互原理解析

2021-07-07 09:54:35 浏览数 (1)

大约在 15 年前，我们大数据开发的“祖师爷”（Doug Cutting）基于 Google 经典论文“三驾马车”，陆续实现了 HDFS、MapReduce、HBase 三个经典大数据组件并做了开源，这才有了这些年来大数据生态圈的红红火火。

所以开篇准备讲的就是这个最基础的也是最核心的，基于《Google File System》实现的 HDFS。它是一个可以部署在普通服务器上的分布式文件系统。那么，作为一个文件系统，因为有很多其他的应用是会基于它来设计存储结构的比如后面会提到的 HBase、Hive 等组件，所以它的稳定性、效率就变得至关重要了。

那么 HDFS 的底层是如何交互的，以及如何保证系统可用性的，看完这篇你就知道了。

本篇面试内容划重点：ZKFC、JournalNode、读写、安全模式。

HDFS 进程各自的职责以及如何协调工作

为了便于理解，举个简单的例子：我们可以把整个 HDFS 系统看作是动物园， 里面有许多嗷嗷待哺的小动物（DataNode），管理员们（Client）负责投喂和收餐盘（读写数据），但是动物太多，管理员没法准确知道需要去哪个位置投喂，所以需要有一个中转站，中转站里有一张记录小动物位置和种类信息（元数据信息）的表格（NameNode）放在固定的地方，投喂前管理员们都来中转站看一下表格，然后去找具体的位置。

表格的数据很重要，如果丢了管理员就会手足无措了，所以我们将表格再备份一份（Standby NameNode）放在抽屉里，每次数据修改都将数据同步到备份的表格处（JournalNode），如果主表格丢失了，监控（ZKFC）发现后保安（Zookeeper）立马把备份表格拿出来使用。

上面的例子帮助大家简单理了一下逻辑，下面进入正题，HDFS 进程还是比较多的，每个进程有各自的职责，然后按照既定的规则与其他进程交互，目的是维持系统正常稳定地运行。

  • Active NameNode：它是 HDFS 对外提供读写服务的唯一 Master 节点，管理着文件系统的 Namespace；维护着文件的元数据，包括文件名、副本数、文件的 BlockId 以及 Block 所在的服务器等信息；同时会接受来自 Client 端的读写请求，和接受 DataNode 的 Block 信息上报。
  • Standby NameNode：Active NameNode 的备用节点，它会及时从 JournalNode 中读取 EditLog 数据并更新内存，以保证当前状态尽可能与主节点同步。需要注意的是，集群中最多一台处于 Active 状态，最多一台处于 Standby 状态。
  • JournalNode Cluster：用于主备 NameNode 之间共享 Editlog 的一致性共享存储系统。负责存储 Editlog 以及将元数据从主节点实时同步到备用节点。流程是主节点先将 EditLog 文件 push 进 JournalNode，备节点再从 JournalNode 节点 Pull 数据，JournalNode 不主动进行数据交换。集群由 2N 1 个 JournalNode 进程组成，可以容忍最多 N 台 JournalNode 节点挂掉。
  • ZKFailoverController（ZKFC）：ZKFailoverController 以独立进程运行，正常情况每个 ZKFC 都会监控自己负责的 NameNode 的心跳，如果异常，则会断开与 ZooKeeper 的连接，释放分布式锁，另外一个 NameNode 上的 ZKFC 则会获取锁，然后会把对应的 NameNode 的状态从 Standby 切换到 Active。ZKFC 主要负责：NameNode 健康状况检测；借助 Zookeeper 实现 NameNode 自动选主；操作 NameNode 进行主从切换。
  • Zookeeper：为 ZKFC 实现自动选主功能提供统一协调服务。通过 watcher 监听机制，通知 ZKFC 异常 NameNode 的下线；保证同一时刻只有一个 Active Name 节点，并告知客户端。
  • DataNode：负责实际数据的存储，在如图 NameNode 高可用的架构下，DataNode 会同时向主备两个 NameNode 节点进行元数据上报，但是仅执行主节点下发的指令。

另外，secondNameNode 由于会有单点问题已经很少应用，这里不讨论了，他的工作可以被 JournalNode 取代。

相关面试题

  • HDFS 客户端与 NameNode 和 DataNode 的通信和交互过程？
  • Secondary NameNode 的功能在高可用架构下被那个进程所取代？
  • NameNode 会存储哪些数据？
  • HDFS 是如何保证 NameNode 高可用的？
  • ZKFC 是如何实现主节点异常切换的？
  • Zookeeper 在异常切换中起到的作用？

这些问题都是进程的职责相关的内容，答案都在上面的知识点中都有详细描述，问的方式有千千万万种，但是万变不离其宗，背后的知识点都是固定的。这里考察的是对 HDFS 组件比较常规的了解，各组件的职责和工作方式，重点需要掌握的是 ZKFC 和 JournalNode 的作用，不容有失。

Block & Packet & Chunk

  • Block：HDFS 中的文件在物理上是分块存储，即 Block。每个 Block 大小：Hadoop 2.x 版本为 128 MB；Hadoop 1.x 版本为 64 MB 。
  • Packet：Packet 是 Client 端向 DataNode，或 DataNode 的 PipLine 之间传数据的基本单位，默认 64KB。
  • Chunk：Chunk 是最小的单位，它是 Client 向 DataNode 或 DataNode 的 PipLine 之间进行数据校验的基本单位，默认 512Byte，因为用作校验，故每个 chunk 需要带有 4 Byte 的校验位。所以实际每个 chunk 写入 packet 的大小为 516 Byte。

为什么 Block 会从老版本的 64MB 升级到 128MB？ 以前服务器的配置大多是 5400 转硬盘，平均读写理论上在 60-90MB/s，现在常用的是 7200 转，读写大致在 130-190MB/s。数据写磁盘是需要消耗寻址时间的，最优的理论情况是寻址时间仅占传输时间的 1%，为了降低寻址开销，最优情况当然是一次寻址写完这次传输的所有数据。

安全模式

安全模式是 HDFS 处于初始化状态的一种自我保护机制，在这种模式下，HDFS 对于客户端来说是只读的。NameNode 主节点启动时，HDFS 就会进入安全模式。在安全模式中， DataNode 会向 NameNode 上报可用 Block 的信息，即告知 NameNode 当前集群中有哪些可用数据，因为 NameNode 初始时本身是不知道集群中有哪些 Block 的。

退出安全模式的条件？

  • HDFS 可用 Block 占总数的比例（dfs.namenode.safemode.threshold-pct）：默认 99.9%
  • 可用的数据节点数量符合要求（dfs.namenode.safemode.min.datanodes）：默认 0，即无要求。
  • 满足上面两个条件的持续时间（dfs.namenode.safemode.extension）：默认 1ms，即维持正常状态 1ms 就退出安全模式。

源码级客户端读写数据交互流程

数据读写流程在面试过程中是最常见的问题，答案其实很简单，但是想要答得出彩其实是不容易的，如这个知识点所描述的，从源码级别去看待这个读写流程，能看得更透彻，给面试官的印象也会更深刻。

写数据流程？
  1. 首先 client 端通过在 DistributedFileSystem 上调用 create() 方法来创建一个文件。其中，DistributedFileSystem 是客户端用户创建的一个对象，用户可以通过调用 DistributedFileSystem 的方法来对 HDFS 做读写操作。
  2. 在收到 client 端 create 动作之后，DistributedFileSystem 通过 RPC 与 NameNode 通信 ，让它在文件系统的 namespace 上创建一个独立的新文件，NameNode 会确认文件是否已经存在以及客户端是否有权限。确认成功后，NameNode 会生成一条新文件的记录并返回一个负责 client 端与 datanode 和 namenode 进行 I/O 操作的 DFSOutputStream 对象给客户端，另外还会包含可写入的 DataNode 的信息。如文件创建失败，客户端会抛出一个 IOException。
  3. 当客户端开始写数据，DFSOutputStream 将文件分割成很多很小的块，然后将每个小块放进一个个 package 中, packages 会写进一个内部队列中，准备往 DataNode 写数据。
  4. 此时会根据 NameNode 返回的可写入的 DataNode 列表来构成一个 pipeline，默认是有三个 DataNode 组成, DataStreamer 将能够组成块的包先流入 pipeline 中的第一个 DataNode ，第一个 DataNode 会先存储来到的包，然后继续将所有的包转交到 pipeline 中的第二个 DataNode 中，以此类推。
  5. DFSOutputStream 还维护了另一个确认队列，该队列等待 DataNode 的写入确认。当一个包已经被 pipeline 中的所有 DataNode 确认了写如磁盘成功，这个包才会从确认队列中移除。
  6. 当 Client 完成了数据写入，会在流上调用 close() 方法。需注意，这一步不是在 4 和 5 第一次完成之后，而是客户端需要写入的所有数据写完了之后。这个行为会将所有剩下的包 flush 进 DataNode 中。
  7. 等到确认信息全部都到达，即步骤 5 完成之后，Client 会再次与 NameNode 通信告知完成。NameNode 会确认该文件的备份数是否满足要求。
读数据流程？
  1. 与写流程类似，第一步 Client 端同样是调用 DistributedFileSystem 对象，指定想要读的文件 target.txt ，使用 open() 方法。
  2. 此时 DistributedFileSystem 就会与 NameNode 进行 RPC 通信，获取组成 target.txt 的 block 信息，其中包含** block 存在于哪些 DataNode 中**。
  3. 然后 Client 就调用 read() 方法，这里同样会有一个 DFSInputStream 来负责与 DataNode 的 IO。此时会找到 DataNode 列表里离当前 Client 端最近的一个 DataNode（如何判断最近，后面的机架感知中会解释）。
  4. 然后 DFSInputStream 就通过重复调用 read() 方法，数据就从 DataNode 流动到了客户端。当该 DataNode 中最后一个块的读取完成了， DFSInputStream 会关闭与 DataNode 的连接，然后为下一块寻找最佳节点。这个过程对客户端来说是透明的，在客户端那边看来，就像是只读取了一个连续不断的流。
  5. 当客户端完成了读取，就会调用 close() 方法结束整个流程。**

HDFS 可用性保证机制

之前提到了 HDFS 是由 DataNode，NameNode，JournalNode，DFSZKFailoverController 这些组件组成的，所以可用性会涉及到各个组件，面试时也要从多个方面来回答这个问题。

  • 首先 NameNode 的高可用由 JournalNode 和 DFSZKFailoverController 保证，NameNode 有主备两个节点，JournalNode 负责主备节点数据的同步保证数据一致性，ZKFC 负责主备的 Failover，即主节点宕机由备用节点接替主节点工作。
  • JournalNode 也是分布式的，因为有选举机制，所以默认要大于一的奇数个服务器在线，同样是具有可用性保证的。
  • DFSZKFailoverController（ZKFC）是部署在两个 NameNode 节点上的独立的进程，他的作用是辅助 zookeeper 做 NameNode 的健康监控，保证异常切换，而 **Zookeeper **是一个独立的分布式系统，用于管理和协调分布式系统的工作，它本身也会通过 zab 协议来保证数据一致，和主备节点的选举切换等机制来保证可用性。
  • DataNode节点的宕机会造成部分 block 的丢失，但是 block 一般都会有三个备份，且在不同的 DataNode，所以 DataNode 挂掉两台仍然能保证数据的完整性，同时NameNode 会负责副本数的补充。
  • 对于数据的可用性保证，HDFS 还提供了数据完整性校验的机制，当客户端创建 HDFS 文件时，它会计算文件的每个块的校验和（checknums），并存储在 NameNode 中。当客户端读文件时，会验证从每个 DataNode 接收的数据是否与 checknums 匹配。如果匹配失败，则证明数据已经损坏，此时客户端会选择从其他 DataNode 获取该块的其他可用副本。
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