HDFS-RAID原理和实现

HDFS-RAID 是Facebook基于hadoop-20-append分支(第一代Hadoop)开发的raid方案，对HDFS的修改极少，主要包括为NameNode增加了根据block信息找到block所属文件的接口。RAID的基本知识和目前社区的方案对比见这，本文重点分析HDFS-RAID的原理和实现。

业界常用的编码方式包括Reed-Solomon(RS)，XOR，他们本质上都是对N个数据块就行运算，产生K个校验块。这N+K个块可以同时最多容忍K个块的丢失，丢失的块可以从其余的块中的任意N个恢复出来。在HDFS-RAID里面，N叫做stripeLength,K叫做parityLength。在对数据块和校验块的组织上，HDFS-RAID提供了两种方式：

1. 每个数据文件对应一个校验文件，对数据文件的连续stripeLength个block进行编码，产生parityLength个parity block，多个parity block组成parity文件存储在HDFS上。例子：stripeLength=3,parityLength=2，数据文件有6个block，那么对这个数据文件做raid会产生4个parity block，这四个parity block被连接起来组成parity文件。数据文件和parity文件的存放路径存在一定的规则，根据配置决定.
2. 数据block可以从不同的数据文件中抽取进行组合，这种方式下，就不存在数据文件和parity文件的一一对应关系，这样的组合用StripeInfo表示，里面包括：数据块列表，校验块列表，编码方式。并且为了容错，这个信息需要持久化，实现中，这个信息可以以多个文件的形式存在本地硬盘(LocalStripeStore)上，也可以存在RDBMS(DBStripeStore)中。值得注意的是，在对某个block进行恢复的时候，需要根据corrupt block信息从StripeStore中取出用于恢复的stripeLength个block，而读取这些block的数据需要拿到block所在的文件名等信息才能读取，而NameNode不提供block到file的接口，所以HDFS-RAID为了NameNode增加了这样的接口。

HDFS-RAID主要由三个模块组成，一个包装了DistributedFileSystem的DistributedRaidFileSystem，一个是RaidNode进程，另外一个RaidShell命令行工具。

DistributedRaidFileSystem

DistributedRaidFileSystem基于DistributedFileSystem，是一种FilterFileSystem，在DistributedFileSystem读数据抛出BlockMissingException或者ChecksumException一场时，会构造
DecoderInputStream，构造的过程中，会做block fix过程，找到stripeLength个数据块，启动几个线程同时读取这几个数据块，decode完成将修复的block数据放入buf中，上层即可以进行读取。
应用使用DistributedRaidFileSystem需要在hdfs-site.xml中设置:

<property>
  <name>fs.hdfs.impl</name>
  <value>or  g.apache.hadoop.dfs.DistributedRaidFileSystem</value>
</property>

其他配置见wiki

RaidNode

编码

RaidNode的TriggerMonitor线程根据配置的策略(PolicyInfo)不断的选择符合RAID条件的文件,然后做RAID。做RAID有两种方式，一种是单机(LocalRaidNode)，另外一种是分布式(DistRaidNode)，利用MapReduce Job。HDFS-RAID中有一个encodingUnit的概念，它是做RAID的单位，默认是1。以分布式做RAID为例，假设stripeLength=3, parityLength=1,encodingUnit=2, TriggerMonitor选出了两个文件a和b，文件a有6个block, b有12个block，可以得出，a有6/3=2个stripe，b有12/3=4个stripe, encodeingUnit=2代表2个stripe作为一个unit，unit用EncodingCandidate表示，这个例子会产生三个EncodingCandidate。每个EncodingCandidate作为mapper的key，相应的PolicyInfo作为value写入Job的Input文件_distRaid.op.list(Job目录下)中作为一行。输入文件由DistRaidInputFormat来解析。Mapper类是DistRaidMapper，map函数就是对输入的EncodingCandidate范围内的stripe做raid。做raid，需要读stripeLength个块数据，生成parityLength个校验块，默认会有4个线程来做读操作，每个线程就是打开数据block所在的文件，并且seek到block的开始offset，然后将数据读入readbuf中，每个block对应一个readbuf，同时有parityLength个writebuf，用于存编码完成的parity块。最后将生成的parity块连成一个parity file。为了更安全，HDFS-RAID有一个ChecksumStore的概念，开启后，会将数据block和校验block的crc都存入ChecksumStore中，后续如果发现有block损坏，进行修复完成后，从ChecksumStore中取出以前block的crc进行比对，如果相等，说明恢复无误，然后选择一个DataNode将恢复的block发送过去。

采用RAID方式后，为了提高可用性，尽量不在同一个机器上存储属于同一个stripe group的两个block，PlacementMonitor线程用来做这个。

修复

BlockIntegrityMonitor用来定期检测corrupt的file，并进行修复。同样，修复block有分布式和本地修复两种方式。同样，以DistBlockIntegrityMonitor为例，获取corrupt file通过DFSck向NameNode获得，拿到corrupt文件名以及对应的corrupt的块个数后，调用FileCheckRunnable来检查文件是否已经corrupt，这里的corrupt是对DistributedRaidFileSystem而言的，只要corrupt block所在的stripe group(包括stripeLength个数据块和parityLength个parity块)中有至少stripeLength个数据块是好的，那么这个corrupt block就可以恢复，说明这个文件对于DistributeRaidFileSystem来说就是好的，没有corrupt，在这种情况下，会提交一个Job对这些corrupt block进行修复。Mapper是ReconstructionMapper，输入文件的内容是corrupt file。Mapper的map函数拿到corrupt file name，然后进行reconstruct，这块的流程原理和编码差不多，不再赘述。恢复成功block后，选择一个DataNode，给它发送WRITE_BLOCK指令，并把数据发送给它。

策略

主要提供两个配置文件raid.xml和raid-default.xml

raid.xml:

<configuration> 
	<policy name = "RaidTest1"> 
		// prefix指定的路径下的文件(递归)被扫描检查是否满足RAID条件
		<srcPath prefix="/user/foxmailed/raidtest"/>
		// 引用raid-default.xml中定义的id
		<codecId>xor</codecId>
		<property> 
			<name>targetReplication</name> 
			<value>1</value> 
			<description>after RAIDing, decrease the replication factor of a file to this value.</description> 
		</property> 
		<property> 
			<name>metaReplication</name> 
			<value>1</value> 
			<description> replication factor of parity file</description> 
		</property> 
		<property> 
			// 一个文件只有2秒没有修改过才有可能被RAID
			<name>modTimePeriod</name> 
			<value>2000</value> 
			<description> time (milliseconds) after a file is modified to make it a candidate for RAIDing 
			</description> 
		</property> 
	</policy>
	// fileList指定的文件每一行的文件是RAID的候选，编码方式引用名为RaidTest1的policy
	<policy name = "RaidTest2">
        <fileList>/user/foxmailed/fileList.txt</fileList>
        <parentPolicy>RaidTest1</parentPolicy>
    </policy>
    
</configuration>

raid-default.xml中主要配置RaidNode支持的编码类型

<configuration>
<property>
<name>raid.codecs.json</name>
<value>
[{
"id" : "rs", //编码id，在raid.xml中用到，用来饮用具体的编码
"parity_dir" : "/raidrs",//校验文件存放的位置
"stripe_length" : 10, 
"parity_length" : 4, //10个data block编码生成4个parity block
"priority" : 200,
"erasure_code" : "org.apache.hadoop.raid.ReedSolomonCode", //具体编码类
"description" : "ReedSolomonCode code",
"simulate_block_fix": true
},
{
"id" : "xor",
"parity_dir" : "/raid",
"stripe_length" : 10, 
"parity_length" : 1,
"priority" : 100,
"erasure_code" : "org.apache.hadoop.raid.XORCode",
"description" : "XORCode code",
"simulate_block_fix": true
},
{
"id" : "dir-rs",
"parity_dir" : "/dir-raidrs",
"stripe_length" : 10, 
"parity_length" : 4,
"priority" : 400,
"erasure_code" : "org.apache.hadoop.raid.ReedSolomonCode",
"description" : "Directory ReedSolomonCode code",
"simulate_block_fix": false,
"dir_raid" : true //目录级别的RAID
}
]
</value>
<description>JSon string that contains all Raid codecs</description>
</property>
</configuration>

实际上，少于2个block的文件不会被RAID。

参考资料

HDFS-RAID Wiki

HDFS-RAID

Hadoop 2.5.0