Распределенная файловая система Hadoop File System

Перечислим основные тезисы и предположения, повлиявшие на архитектуру и реализацию HDFS. Во многом эти предположения пересекаются с GFS. HDFS спроектирована для запуска на кластерах из массовых комплектующих, обладает высокой отказоустойчивостью и реализует автоматическое восстановление после отказов. HDFS нацелена на поддержку приложений, связанных с обработкой больших объемов данных. Поэтому акцент делается на обеспечении высокой пропускной способности при доступе к данным в потоковом режиме, а не на низкой задержке (латентности). Большие объемы данных подразумевают большие размеры хранимых файлов, измеряемые в гигабайтах и терабайтах, поэтому HDFS оптимизирована для хранения файлов подобного размера. Отказ от следования стандарту POSIX, накладывающему ряд жестких ограничений, которые не требуются для целевых приложений, позволяет повысить производительность системы. HDFS жестко следует модели однократной записи файла с последующим многократным чтением его (write- once-read-many). Данная модель соответствует многим приложениям и упрощает обеспечение целостности данных. Текущая версия HDFS поддерживает только однократную запись в файл одним клиентом. В планах разработчиков предусмотрена реализация операции записи данных в конец файла (append), аналогичной функциональности GFS.

Пространство имен HDFS имеет иерархическую структуру с возможностью создания вложенных директорий. Каждый файл хранится в виде последовательности блоков фиксированного размера, составляющего по умолчанию 64 Мб. Копии блоков (реплики) хранятся на нескольких серверах, по умолчанию - трех. Размер блока и число реплик (т.н. фактор репликации) может задаваться индивидуально для каждого файла.

HDFS имеет очень похожую на GFS архитектуру типа "master-slave". Главный сервер называется namenode, а подчиненные сервера - datanode. Для каждого из серверов в кластере рекомендуется использовать выделенную машину, хотя при отладке они могут быть запущены в рамках одной машины. Namenode-сервер управляет пространством имен файловой системы, репликацией и доступом клиентов к данным. Функции datanode-сервера аналогичны функциям chunk-сервера GFS: хранение блоков данных на локальном диске, обслуживание запросов клиентов на чтение и запись данных, а также выполнение команд главного сервера по созданию, удалению и репликации блоков. Передача данных осуществляется только между клиентом и datanode-сервером, минуя namenode-сервер. Каждый datanode-сервер периодически отправляет namenode-серверу сообщения с информацией о своем состоянии и хранимых блоках, т.н. heartbeat-сообщения.

Namenode-сервер фиксирует все транзакции, связанные с изменением метаданных файловой системы, в log-файле, называемом EditLog. Примерами подобных транзакций могут служить создание нового файла или изменение фактора репликации у существующего файла. Все метаданные файловой системы, включая отображения файлов в блоки и атрибуты файлов, хранятся в файле Fslmage. Файлы EditLog и Fslmage хранятся на локальном диске namenode-сервера. Для хранения метаданных файловой системы используется компактное представление, позволяющее загружать их целиком в оперативную память namenode-сервера. При запуске namenode- сервер считывает файлы EditLog и FsImage в оперативную память и применяет все транзакции из log-файла к образу файловой системы, после чего сохраняет новую версию Fslmage на диск и очищает EditLog. Подобная операция проводится пока только при запуске сервера. Во время работы сервера размер log-файла может стать очень большим, поэтому в системе предусмотрен специальный компонент (т.н. secondary namenode), который контролирует размер log-файла и периодически обновляет файл FsImage.

Datanode-сервер хранит каждый блок данных в виде файла на локальном жестком диске. При этом серверу ничего не известно о HDFS-файлах. При запуске datanode-сервер сканирует локальную файловую систему, генерирует список хранимых HDFS-блоков и отправляет эту информацию namenode-серверу.

Клиенты и серверы HDFS взаимодействуют друг с другом по протоколу TCP с использованием механизма Remote Procedure Call (RPC). Важной особенностью, характерной также и для GFS, является то, что namenode-сервер никогда не инициирует RPC-вызовы, а только отвечает на вызовы клиентов и datanode-серверов. Все нужные инструкции datanode-серверам namenode-сервер отправляет, используя ответы на приходящие heartbeat-вызовы. Подобная техника, называемая piggybacking, позволяет уменьшить зависимость главного сервера от состояний подчиненных серверов.

Namenode-сервер контролирует состояние datanode-серверов с помощью heartbeat-сообщений. При прекращении поступления сообщений от datanode-сервера, вследствие отказа самого сервера или нарушения связности сети, данный сервер помечается как отказавший и не учитывается при обработке запросов клиентов. Все данные, хранимые на отказавшем сервере, в результате чего уровень репликации некоторых блоков падает ниже установленного значения. Namenode-сервер автоматически инициирует репликацию данных блоков. Аналогичные действия проводятся в случае сбоя жесткого диска на datanode-сервере, повреждения отдельных реплик или увеличения фактора репликации файла.

Целостность хранимых данных контролируется с помощью контрольных сумм. При создании файла, HDFS-клиент вычисляет контрольную сумму каждого блока и сохраняет ее в специальном скрытом HDFS-файле в той же директории, что и файл. При чтении данных клиент проверяет их на целостность с помощью соответствующего checksum-файла. В случае если проверка не проходит, клиент может обратиться за данными к другому datanode-серверу.

Данные, хранимые в файлах EditLog и Fslmage на namenode-сервере, являются критичными для функционирования HDSF. Повреждение этих может привести к разрушению файловой системы. Поэтому namenode-сервер поддерживает работу с несколькими копиями данных файлов, которые могут быть размещены на других машинах. В этом случае изменения записываются синхронно в каждую из копий файла. Данный механизм снижает производительность namenode-сервера, но позволяет увеличить его отказоустойчивость.

В текущей реализации HDFS главный сервер является "слабым местом" системы. При выходе из строя namenode-сервера система требуется ручное вмешательство, до которого система становится неработоспособной. Автоматический перезапуск namenode-сервера и его миграция на другую машину пока не реализованы.

При записи данных в HDFS используется подход, позволяющий достигнуть высокой пропускной способности. Приложение ведет запись в потоковом режиме, при этом HDFS-клиент кэширует записываемые данные во временном локальном файле. Когда в файле накапливаются данные на один HDFS-блок, клиент обращается к namenode-серверу, который регистрирует новый файл, выделяет блок и возвращает клиенту список datanode-серверов для хранения реплик блока. Клиент начинает передачу данных блока из временного файла первому datanode-серверу из списка. Datanode-сервер получает данные небольшими порциями, сохраняет их на диске и пересылает следующему datanode-серверу в списке. Таким образом, данные передаются в конвейерном режиме и реплицируются на требуемом количестве серверов. По окончании записи, клиент уведомляет namenode-сервер, который фиксирует транзакцию создания файла, после чего он становится доступным в системе.

Механизм удаления файлов в HDFS реализован аналогично GFS. Файл не удаляется из системы мгновенно, а перемещается в специальную директорию /trash. По истечении настраиваемого периода времени, namenode-сервер удаляет файл из пространства имен HDFS и освобождает связанные с файлом блоки. По умолчанию удаленные файлы хранятся в системе в течение 6 часов, чем объясняется задержка между формальным удалением файла и освобождением дискового пространства.

HDFS реализована на языке Java, что обеспечивает высокую переносимость системы. В то же время, HDFS тесно "привязана" к распространенной на серверах платформе GNU/Linux, что затрудняет запуск системы на ОС Windows (требуется эмулятор shell, например Cygwin).

Для доступа к HDFS из приложений программисты могут использовать прикладной интерфейс программирования (API) на языках Java и С. Также планируется реализовать доступ к HDFS через протокол WebDAV. Пользователям HDFS доступен интерфейс командной строки DFSShell. Для администрирования системы используется набор команд DFSAdmin. HDFS также предоставляет Web-интерфейс, позволяющий пользователям просматривать информацию о системе, структуру файловой системы и содержимое файлов через браузер.