HDFS元数据管理机制

Posted by JustDoDT on April 20, 2018

1. 元数据管理概述

HDFS元数据,按类型分,主要包括以下几个部分:

(1) 文件、目录自身的属性信息,例如文件名、目录名、修改信息等。

(2) 文件记录的信息的存储相关的信息,例如存储块信息,分块情况,副本个数等。

(3) 记录 HDFS 的 DataNode 的信息,用于DataNode 的管理。

按形式分为内存元数据和元数据文件两种,分别存在内存和磁盘上。

HDFS 磁盘上元数据文件分为两种,用于持久化存储:

fsimage 镜像文件:

是元数据的一个持久化的检查点,包含 Hadoop 文件系统中的所有目录和文件元数据信息,但不包含文件块的位置信息。文件块位置信息

只存储在内存中,是在 DataNode 加入集群的时候,NameNode 询问 DataNode 得到的,并且间断的更新。

Edits 编辑日志:

存放的是 Hadoop 文件系统的所有更改操作(文件创建,删除或修改)的日志,文件系统客户端执行的更改操作首先会被记录到 Edits 文件中。

Fsimage 和 Edits 文件都是经过序列化的,在 NameNode 启动的时候,它会将 Fsimage 文件中的内容加载到内存中,之后再执行 Edits 文件中的各项操作使得内存中的元数据和实际的数据数据同步,存在内存中的元数据支持客户端的读操作,也是最完整的元数据。当客户端对 HDFS 中的文件进行新增或者修改操作操作,操作记录首先被记录到 Edits日志文件中,当客户端操作成功后,相应的元数据会更新到内存元数据中。因为 Fsimage 文件一般都很大(GB级别的很常见),如果所有的更新操作都往 Fsimage 文件中添加,这样会导致系统运行的十分缓慢。

HDFS 这种设计实现着手于:

一是内存中数据更新、查询快,极大缩短了操作响应时间;

二是内存中元数据丢失风险颇高(断电等),因此辅佐元数据镜像文件(fsimage)+ 编辑日志文件(edits)的备份机制进行确保元数据的安全。

NameNode 维护整个文件系统元数据。因此,元数据的准确管理,影响着HDFS提供文件存储 服务的能力。

2. 元数据目录相关文件

在Hadoop的HDFS首次部署好配置文件之后,并不能马上启动使用,而是先要对文件系统进行格式化。需要在NameNode(NN)节点上进行如下的操作:

$HADOOP_HOME/bin/hdfs namenode –format

在这里要注意两个概念

一个是文件系统,此时的文件系统在物理上还不存在;

二就是此处的格式化并不是指传统意义上的本地磁盘格式化,而是一些清除与准备工作。

格式化完成之后,将会在$dfs.namenode.name.dir/current目录下创建如下的文件结构,这个目录也正是namenode元数据相关的文件目录:

current/
|-- VERSION
|-- edits_*
|-- fsimage_0000000000008547077
|-- fsimage_0000000000008547077.md5
|-- seen_txid

其中的dfs.namenode.name.dir是在hdfs-site.xml文件中配置的,默认值如下:

<property>
     <name>dfs.namenode.name.dir</name>
     <value>file://${hadoop.tmp.dir}/dfs/name</value>
</property>

hadoop.tmp.dir 是在 core-site.xml中配置的,默认如下
<property>
     <name>dfs.tmp.dir</name>
     <value>/tmp/hadoop-${user.name}</value>
     <descriptition>A base for other temporary dirctories.</descriptition>
</property>

dfs.namenode.name.dir属性可以配置多个目录,各个目录存储的文件结构和内容都完全一样,相当于备份,这样做的好处是当其中一个目录损坏了, 也不会影响到Hadoop的元数据,特别是当其中一个目录是NFS(网络文件系统Network File System,NFS)之上,即使你这台机器损坏了, 元数据也得到保存。

下面对$dfs.namenode.name.dir/current/目录下的文件进行解释。

[hadoop@hadoop001 current]$ cat VERSION 
#Sat Mar 30 10:40:17 CST 2019
namespaceID=2096127794
clusterID=CID-15815684-06ec-43e7-a400-7fbbde19adce
cTime=0
storageType=NAME_NODE
blockpoolID=BP-1332988158-192.168.100.111-1553639671281
layoutVersion=-60
  • namespaceID/clusterID/blockpoolID 这些都是HDFS集群的唯一标识符。标识符被用来防止DataNodes意外注册到另一个集群中的namenode上。 这些标识在联邦(federation)部署中特别重要。联邦模式下,会有多个NameNode独立工作。每个的NameNode提供唯一的命名空间(namespaceID),并管理一组唯一的文件块池(blockpoolID)。clusterID将整个集群结合在一起作为单个逻辑单元,在集群中的所有节点上都是一样的。

  • storageType说明这个文件存储的是什么进程的数据结构信息(如果是DataNode,storageType=DATA_NODE);

  • cTime NameNode存储系统创建时间,首次格式化文件系统这个属性是0,当文件系统升级之后,该值会更新到升级之后的时间戳;

  • layoutVersion表示HDFS永久性数据结构的版本信息,是一个负整数。

补充说明:

cluster_id

格式化集群的时候,可以指定集群的cluster_id,但是不能与环境中其他集群有冲突。如果没有提供cluster_id,则会自动生成一个唯一的ClusterID。

$HADOOP_HOME/bin/hdfs namenode -format -clusterId <cluster_id>

seen_txid

$dfs.namenode.name.dir/current/seen_txid非常重要,是存放transactionId的文件,format之后是0,它代表的是namenode里面的edits*文件 的尾数,namenode重启的时候,会按照seen_txid的数字,循序从头跑edits_0000001~到seen_txid的数字。所以当你的hdfs发生异常重启的时候, 一定要比对seen_txid内的数字是不是你edits最后的尾数。

 [hadoop@hadoop001 current]$ pwd
/home/hadoop/app/hadoop-2.6.0-cdh5.7.0/data/dfs/name/current
[hadoop@hadoop001 current]$ ll
 .
 .
 .
-rw-rw-r--. 1 hadoop hadoop 1048576 Apr  7 06:00 edits_0000000000000007338-0000000000000007338
-rw-rw-r--. 1 hadoop hadoop      42 Apr 11 11:25 edits_0000000000000007339-0000000000000007340
-rw-rw-r--. 1 hadoop hadoop 1048576 Apr 11 11:25 edits_inprogress_0000000000000007341
-rw-rw-r--. 1 hadoop hadoop   37129 Apr 11 11:24 fsimage_0000000000000007338
-rw-rw-r--. 1 hadoop hadoop      62 Apr 11 11:24 fsimage_0000000000000007338.md5
-rw-rw-r--. 1 hadoop hadoop   37129 Apr 11 11:25 fsimage_0000000000000007340
-rw-rw-r--. 1 hadoop hadoop      62 Apr 11 11:25 fsimage_0000000000000007340.md5
-rw-rw-r--. 1 hadoop hadoop       5 Apr 11 11:25 seen_txid
-rw-rw-r--. 1 hadoop hadoop     208 Apr 11 11:24 VERSION

[hadoop@hadoop001 current]$ pwd
/home/hadoop/app/hadoop-2.6.0-cdh5.7.0/data/dfs/name/current
[hadoop@hadoop001 current]$ cat seen_txid
7341

Fsimage & edits $dfs.namenode.name.dir/current目录下在format的同时也会生成fsimage和edits文件,及其对应的md5校验文件。

3. secondary namenode

secondary namenode元数据

NameNode职责是管理元数据信息,DataNode的职责是负责数据具体存储,那么SecondaryNameNode的作用是什么?对很多初学者来说是非常迷惑的。 它为什么会出现在HDFS中。从它的名字上看,它给人的感觉就像是NameNode的备份。但它实际上却不是。 大家猜想一下,当HDFS集群运行一段事件后,就会出现下面一些问题:

edit logs文件会变的很大,怎么去管理这个文件是一个挑战。

NameNode重启会花费很长时间,因为有很多改动要合并到fsimage文件上。

如果NameNode挂掉了,那就丢失了一些改动。因为此时的fsimage文件非常旧。

因此为了克服这个问题,我们需要一个易于管理的机制来帮助我们减小edit logs文件的大小和得到一个最新的fsimage文件,这样也会减小在 NameNode上的压力。这跟Windows的恢复点是非常像的,Windows的恢复点机制允许我们对OS进行快照,这样当系统发生问题时, 我们能够回滚到最新的一次恢复点上。 SecondaryNameNode就是来帮助解决上述问题的,它的职责是合并NameNode的edit logs到fsimage文件中。

4. Checkpoint

每达到触发条件,会由secondary namenode将namenode上积累的所有edits和一个最新的fsimage下载到本地,并加载到内存进行merge (这个过程称为checkpoint),如下图所示:

Checkpoint元数据

4.1 Checkpoint详细步骤

  • NameNode管理着元数据信息,其中有两类持久化元数据文件:edits操作日志文件和fsimage元数据镜像文件。新的操作日志不会立即与fsimage 进行合并,也不会刷到NameNode的内存中,而是会先写到edits中(因为合并需要消耗大量的资源),操作成功之后更新至内存。

  • 有dfs.namenode.checkpoint.period和dfs.namenode.checkpoint.txns 两个配置,只要达到这两个条件任何一个,secondarynamenode就会 执行checkpoint的操作。

  • 当触发checkpoint操作时,NameNode会生成一个新的edits即上图中的edits.new文件,同时SecondaryNameNode会将edits文件和fsimage 复制到本地(HTTP GET方式)。

  • secondarynamenode将下载下来的fsimage载入到内存,然后一条一条地执行edits文件中的各项更新操作,使得内存中的fsimage保存最新, 这个过程就是edits和fsimage文件合并,生成一个新的fsimage文件即上图中的Fsimage.ckpt文件。

  • secondarynamenode将新生成的Fsimage.ckpt文件复制到NameNode节点。

  • 在NameNode节点的edits.new文件和Fsimage.ckpt文件会替换掉原来的edits文件和fsimage文件,至此刚好是一个轮回,即在NameNode中又是 edits和fsimage文件。

  • 等待下一次checkpoint触发SecondaryNameNode进行工作,一直这样循环操作。

4.2 Checkpoint触发条件

Checkpoint操作受两个参数控制,可以通过hdfs-site.xml进行配置:

<property>
<name> dfs.namenode.checkpoint.period</name>
<value>3600</value>
<description>两次连续的checkpoint之间的时间间隔。默认1小时</description>  
</property>

<property>
<name>dfs.namenode.checkpoint.txns</name>
<value>1000000</value>
<description>最大的没有执行checkpoint事务的数量,满足将强制执行紧急checkpoint,即使尚未达到检查点周期。默认设置为100万。</description> 
</property>

从上面的描述我们可以看出,SecondaryNamenode根本就不是Namenode的一个热备,其只是将fsimage和edits合并。其拥有的fsimage不是最新的, 因为在他从NameNode下载fsimage和edits文件时候,新的更新操作已经写到edit.new文件中去了。而这些更新在SecondaryNamenode是没有同步到的!当 然,如果NameNode中的fsimage真的出问题了,还是可以用SecondaryNamenode中的fsimage替换一下NameNode上的fsimage, 虽然已经不是最新的fsimage,但是我们可以将损失减小到最少!