Federation即为“联邦”,该特性允许一个HDFS集群中存在多个NameNode同时对外提供服务,这些NameNode分管一部分目录(水平切分),彼此之间相互隔离,但共享底层的DataNode存储资源。
在hadoop1.x中HDFS的架构
文件的存储是放在块上的(Block Storage)
文件的元数据是放在namenode上的,只有一个Namespace(命名空间)。随着HDFS的数据越来越多,单个namenode的资源使用必然会达到上限,而且namenode的负载能力也会越来越高,限制HDFS的性能。
hdfs主要有两层架构:
1.命名空间(namespace)
由目录、文件、块组成。
支持创建、删除、修改、列举命名空间相关系统的操作。
2.块的存储
管理Block(在datanode中的完成)
通过控制注册以及阶段性的心跳,来保证datanode的正常运行。
运行块的信息报该哦啊,维护块的位置信息。
创建、删除、修改、查询块。
管理副本和副本位置
存储:提供对块的读写(由namenode提供)
单namenode架构的局限性
1.NameSpace(命名空间的限制)
由于Namenode再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)数目收到Namenode所在JVM的heap(堆) size的限制。50G的heap能够存储20亿个对象,这20亿个对象支持4000个datanode,12PB的存储(假设文件爱呢平均大小为40MB)。随着数据的飞速增长,存储的需求也随之增长。单个datanode从4T增长到36T,集群的尺寸增长到8000个datanode。存储的需求从12PB增长到大于100PB。(内存的限制)
2.性能的瓶颈
由于是单个Namenode的HDFS架构,因此整个HDFS文件系统的吞吐量受限于单个NameNode的吞吐量。
3.隔离问题
由于HDFS仅有一个Namenode,无法隔离各个程序,因此HDFS上的一个实验程序很可能影响整个HDFS上运行的程序。
4.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的不可用。(低可用性)
5.Namespace和Block Management的紧密耦合
Hadoop 1.x在Namenode中的Namespace和Block Management组合的紧密耦合关系会导致如果想要实现另外一套Namenode方案比较困难,而且也限制了其他想要直接使用块存储的应用。
为什么纵向扩展目前的NameNode不可行?
比如将NameNode的Heap空间扩大到512GB。
1.启动问题,启动花费时间太长。(Hadoop 1.x具有50GB Heap Namenode的HDFS启动一次大概需要30分钟到2小时)
2.Namenode在Full GC时,如果发生错误将会导致整个集群宕机。
3.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。
hadoop2.x
增加了Federation的概念
为什么要引入Federation
1.采用Federation的最主要的原因是简单,Federation能够快速的解决大部分单Namenode的问题。
2.Federation是简单鲁棒的设计,由于联邦中各个Namenode之间是相互独立的。Federation整个核心设实现大概用了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的原先的鲁棒性不会受到影响。比分布式的Namenode简单,虽然这种事先的扩展性比起真正的分布式的Namenode要小些,但是可以迅速满足需求。
3.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。
Federation架构设计
为了水平扩展Namenode,Federation使用了多个独立的Namenode/NameSpace。这些Namenode之间是联合的,也就是说,他们之间相互独立且不需要互相协调,各自分工,管理自己的区域。分布式的datanode被用作通用的数据块存储存储设备。每个DataNode要向集群中所有的namenode注册,且周期性的向所有namenode发送心跳和块报告,并执行来自所有namenode的命令。
所谓Block Pool(块池)就是属于单个命名空间的一组block(块)。
每一个DataNode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。同时一个Namenode失效不会影响其下Datanode为其他Namenode服务。
每个Block Pool内部自治,也就是说各自管理各自的block,不会与其他Block Pool交流。一个Namenode挂掉了,不会影响其他NameNode。
当DN与NN建立联系并开始会话后自动建立Block Pool。每个block都有一个唯一的表示,这个表示我们称之为扩展块ID,在HDFS集群之间都是惟一的,为以后集群归并创造了条件。
DN中的数据结构都通过块池ID索引,即DN中的BlockMap,storage等都通过BPID索引。
某个NN上的NameSpace和它对应的Block Pool一起被称为NameSpace Volume。它是管理的基本单位。当一个NN/NS被删除后,其所有DN上对应的Block Pool也会被删除。当集群升级时,每个NameSpace Volume作为一个基本单元进行升级。
Federation HDFS与Hadoop 1.xHDFS的比较
Hadoop 1.xHDFS只有一个命名空间(Namespace),它使用全部的块。Federation HDFS中有多个独立的命名空间,并且每一个命名空间使用一个块池。
Hadoop 1.xHDFS中只有一组块。而Federation HDFS中有多组独立的块。块池就是属于同一个命名空间的一组块。
Hadoop 1.x 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回味多个块池存储块。
datanode改进
在datanode中,对应于每个Namenode都有一条相应的线程
每个DN回去每一个NN注册,并且周期性的给所有的NN发送心跳及DN的使用报告。
DN还会给NN发送其所在的块池的快报告
由于有多个NN同时存在,因此任何一个NN都可以随时动态加入、删除和更新。
Namespace Volume(命名空间卷)
一个Namespace和它的块池合并在一起成为Namespace Volume。
Namespace Volume是一个独立完整的管理单元。
当一个Namenode/Namespace被删除,与之相对应的块池也被删除。
在升级时,每一个Manespace Volume也会整体作为一个单元。
ClusterId
在HDFS Federation中添加了ClusterID用来区分汲取中的每一个节点。
当格式化一个Namenode时,这个Cluster Id会自动生成或者手动提供。
在格式化统一集群中其他Namenode时会用到这个ClusterID。
Federation的主要优点
1.namespace是一个可扩展的,相当于namenode是一个分布式的。
2.性能提升了,操作不会由于一个namenode的吞吐量收到限制。