莊周夢(mèng)蝶

    分布式文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求大概是這么幾個(gè)：透明性、并發(fā)控制、可伸縮性、容錯(cuò)以及安全需求等。我想試試從這幾個(gè)角度去觀察HDFS的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，可以更清楚地看出HDFS的應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)計(jì)理念。
    首先是透明性，如果按照開放分布式處理的標(biāo)準(zhǔn)確定就有8種透明性：訪問的透明性、位置的透明性、并發(fā)透明性、復(fù)制透明性、故障透明性、移動(dòng)透明性、性能透明性和伸縮透明性。對(duì)于分布式文件系統(tǒng)，最重要的是希望能達(dá)到5個(gè)透明性要求：
1）訪問的透明性：用戶能通過相同的操作來訪問本地文件和遠(yuǎn)程文件資源。HDFS可以做到這一點(diǎn)，如果HDFS設(shè)置成本地文件系統(tǒng)，而非分布式，那么讀寫 分布式HDFS的程序可以不用修改地讀寫本地文件，要做修改的是配置文件。可見，HDFS提供的訪問的透明性是不完全的，畢竟它構(gòu)建于java之上，不能 像NFS或者AFS那樣去修改unix內(nèi)核，同時(shí)將本地文件和遠(yuǎn)程文件以一致的方式處理。
2）位置的透明性：使用單一的文件命名空間，在不改變路徑名的前提下，文件或者文件集合可以被重定位。HDFS集群只有一個(gè)Namenode來負(fù)責(zé)文件系 統(tǒng)命名空間的管理，文件的block可以重新分布復(fù)制，block可以增加或者減少副本，副本可以跨機(jī)架存儲(chǔ)，而這一切對(duì)客戶端都是透明的。
3）移動(dòng)的透明性，這一點(diǎn)與位置的透明性類似，HDFS中的文件經(jīng)常由于節(jié)點(diǎn)的失效、增加或者replication因子的改變或者重新均衡等進(jìn)行著復(fù)制或者移動(dòng)，而客戶端和客戶端程序并不需要改變什么，Namenode的edits日志文件記錄著這些變更。
4）性能的透明性和伸縮的透明性：HDFS的目標(biāo)就是構(gòu)建在大規(guī)模廉價(jià)機(jī)器上的分布式文件系統(tǒng)集群，可伸縮性毋庸置疑，至于性能可以參考它首頁上的一些benchmark。

    其次是并發(fā)控制，客戶端對(duì)于文件的讀寫不應(yīng)該影響其他客戶端對(duì)同一個(gè)文件的讀寫。要想實(shí)現(xiàn)近似原生文件系統(tǒng)的單個(gè)文件拷貝語義，分布式文件系統(tǒng)需要做出復(fù) 雜的交互，例如采用時(shí)間戳，或者類似回調(diào)承諾（類似服務(wù)器到客戶端的RPC回調(diào)，在文件更新的時(shí)候；回調(diào)有兩種狀態(tài)：有效或者取消。客戶端通過檢查回調(diào)承 諾的狀態(tài)，來判斷服務(wù)器上的文件是否被更新過）。HDFS并沒有這樣做，它的機(jī)制非常簡(jiǎn)單，任何時(shí)間都只允許一個(gè)寫的客戶端，文件經(jīng)創(chuàng)建并寫入之后不再改 變，它的模型是write-one-read-many， 一次寫，多次讀。這與它的應(yīng)用場(chǎng)合是一致，HDFS的文件大小通常是兆至T級(jí)的，這些數(shù)據(jù)不會(huì)經(jīng)常修改，最經(jīng)常的是被順序讀并處理，隨機(jī)讀很少，因此 HDFS非常適合MapReduce框架或者web crawler應(yīng)用。HDFS文件的大小也決定了它的客戶端不能像某些分布式文件系統(tǒng)那樣緩存常用到的幾百個(gè)文件。

    第三，文件復(fù)制功能，一個(gè)文件可以表示為其內(nèi)容在不同位置的多個(gè)拷貝。這樣做帶來了兩個(gè)好處：訪問同個(gè)文件時(shí)可以從多個(gè)服務(wù)器中獲取從而改善服務(wù)的伸縮 性，另外就是提高了容錯(cuò)能力，某個(gè)副本損壞了，仍然可以從其他服務(wù)器節(jié)點(diǎn)獲取該文件。HDFS文件的block為了容錯(cuò)都將被備份，根據(jù)配置的 replication因子來，默認(rèn)是3。副本的存放策略也是很有講究，一個(gè)放在本地機(jī)架的節(jié)點(diǎn)，一個(gè)放在同一機(jī)架的另一節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)放在其他機(jī)架上。這 樣可以最大限度地防止因故障導(dǎo)致的副本的丟失。不僅如此，HDFS讀文件的時(shí)候也將優(yōu)先選擇從同一機(jī)架乃至同一數(shù)據(jù)中心的節(jié)點(diǎn)上讀取block。

    第四，硬件和操作系統(tǒng)的異構(gòu)性。由于構(gòu)建在java平臺(tái)上，HDFS的跨平臺(tái)能力毋庸置疑，得益于java平臺(tái)已經(jīng)封裝好的文件IO系統(tǒng)，HDFS可以在不同的操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)同樣的客戶端和服務(wù)端程序。

    第五，容錯(cuò)能力，在分布式文件系統(tǒng)中，盡量保證文件服務(wù)在客戶端或者服務(wù)端出現(xiàn)問題的時(shí)候能正常使用是非常重要的。HDFS的容錯(cuò)能力大概可以分為兩個(gè)方面：文件系統(tǒng)的容錯(cuò)性以及Hadoop本身的容錯(cuò)能力。文件系統(tǒng)的容錯(cuò)性通過這么幾個(gè)手段：
1）在Namenode和Datanode之間維持心跳檢測(cè)，當(dāng)由于網(wǎng)絡(luò)故障之類的原因，導(dǎo)致Datanode發(fā)出的心跳包沒有被Namenode正常收 到的時(shí)候，Namenode就不會(huì)將任何新的IO操作派發(fā)給那個(gè)Datanode，該Datanode上的數(shù)據(jù)被認(rèn)為是無效的，因此Namenode會(huì)檢 測(cè)是否有文件block的副本數(shù)目小于設(shè)置值，如果小于就自動(dòng)開始復(fù)制新的副本并分發(fā)到其他Datanode節(jié)點(diǎn)。
2）檢測(cè)文件block的完整性，HDFS會(huì)記錄每個(gè)新創(chuàng)建的文件的所有block的校驗(yàn)和。當(dāng)以后檢索這些文件的時(shí)候，從某個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取block，會(huì)首先確認(rèn)校驗(yàn)和是否一致，如果不一致，會(huì)從其他Datanode節(jié)點(diǎn)上獲取該block的副本。
3）集群的負(fù)載均衡，由于節(jié)點(diǎn)的失效或者增加，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)分布的不均勻，當(dāng)某個(gè)Datanode節(jié)點(diǎn)的空閑空間大于一個(gè)臨界值的時(shí)候，HDFS會(huì)自動(dòng)從其他Datanode遷移數(shù)據(jù)過來。
4）Namenode上的fsimage和edits日志文件是HDFS的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如果這些文件損壞了，HDFS將失效。因而，Namenode可以配置成支持維護(hù)多 個(gè)FsImage和Editlog的拷貝。任何對(duì)FsImage或者Editlog的修改，都將同步到它們的副本上。它總是選取最近的一致的FsImage和Editlog使用。Namenode在HDFS是單點(diǎn)存在，如果Namenode所在的機(jī)器錯(cuò)誤，手工的干預(yù)是必須的。
5)文件的刪除，刪除并不是馬上從Namenode移出namespace，而是放在/trash目錄隨時(shí)可恢復(fù)，直到超過設(shè)置時(shí)間才被正式移除。
    再說Hadoop本身的容錯(cuò)性，Hadoop支持升級(jí)和回滾，當(dāng)升級(jí)Hadoop軟件時(shí)出現(xiàn)bug或者不兼容現(xiàn)象，可以通過回滾恢復(fù)到老的Hadoop版本。
    最后一個(gè)就是安全性問題，HDFS的安全性是比較弱的，只有簡(jiǎn)單的與unix文件系統(tǒng)類似的文件許可控制，未來版本會(huì)實(shí)現(xiàn)類似NFS的kerberos驗(yàn)證系統(tǒng)。

    總結(jié)下：HDFS作為通用的分布式文件系統(tǒng)并不適合，它在并發(fā)控制、緩存一致性以及小文件讀寫的效率上是比較弱的。但是它有自己明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)，那就是支 持大的數(shù)據(jù)文件（兆至T級(jí)），并且這些文件以順序讀為主，以文件讀的高吞吐量為目標(biāo)，并且與MapReduce框架緊密結(jié)合。