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HDFS RAID

21 December 2012

一、背景

HDFS是构建在普通机器上的分布式文件系统，而这类系统需要解决的一个首要问题就是容错，允许部分节点失效。而为了解决数据的可靠性，HDFS采用了副本策略。默认会为所有的block存放三个副本（具体参见HDFS设计文档）。 副本机制能够有效解决部分节点失效导致数据丢失的问题，但对于大规模的HDFS集群，副本机制会带来大量的存储资源消耗。例如为了存储1PB的数据，默认需要保留3个副本，这意味着实际存储所有副本需要至少3PB的空间。存储空间浪费达到200%。减小浪费的方式主要是减少副本数，而当副本数降低到小于3时，数据丢失的风险会非常高。而HDFS RAID的出现主要是解决降低副本数之后，通过RAID机制中的Erasured Code来确保数据的可用性。

二、整体结构

HDFS RAID的实现（Facebook的实现）主要是在现有的HDFS之上增加了一个包装contrib。之所以不再HDFS上直接修改，原设计者的解释是“HDFS的核心代码已经够复杂了，不想让它更复杂”。

Overview

2.1 使用的角度看HDFS RAID（Client端）

HDFS RAID的使用场景主要有两个：raid数据管理和raid数据读取。

2.1.1 Raid数据的管理

对于DRFS的管理，包括DFS中那些文件需要进行raid化，查询raid文件的状态等，主要通过HDFS-RAID提供的RaidShell工具来完成。本质上RaidShell作为一个client工具，通过RPC与集群中的RaidNode通信，完成各种管理操作。

2.1.2 Raid数据读写

使用HDFS RAID的client端需要配置fs.hdfs.impl为DistributedRaidFileSytem，DRFS包装了DFS的读（只是读）请求，当block读取时发生block丢失（抛出MissingBlockException)或损坏(CorruptionException)时，DRFS会捕获这两个异常，并向RaidNode发送RPC对失效的数据进行恢复。

2.2 RaidNode结构(Server端）

RaidNode是HDFS-RAID中除NameNode和JobTracker之外的第三个master node，主要是接收client端的RPC请求和调度各守护线程完成数据的raid化和数据修复，parity文件删除等操作。

2.2.1 两种实现

LocalRaidNode: 在RaidNode本地进行parity计算，parity文件的生成是一个计算密集型任务，而本地计算能力有限，因此该方式的扩展性有限。

DistributedRaidNode: 通过提交mapreduce job来进行parity计算

2.2.2 主要线程

TriggerMonitor: 周期性检查raid-policy配置，根据最新的配置来进行对相应的数据raid化。raid化的调度周期主要收两个配置的影响，raid.config.reload.interval （重新加载raid-policy配置的周期，默认10s）和raid.policy.rescan.interval（重新扫描需要raid化的src的间隔，默认1小时）。简单讲，当新增了一个policy时，默认10s内该policy会被加载执行。而在一个已经raid化的目录中新增了一个文件时，该文件将在1个小时内被raid话。

BlockIntegrityMonitor: 负责通过DFS的fsck来对DRFS中已经raid化的数据进行检查，检查内容主要包括corrupt（损坏）和decomssion（丢失）的文件。一旦检测到这类文件的存在，BlocIntegrityMonitor会通过其维护的CorruptMonitor和DecomissionMonitor的两个线程来进行数据的修复。BlockIntegrityMonitor对应local和dist两种模式有两个实现，分别为LocalBlockIntegrityMonitor和DistBlockIntegrityMonitor。（可通过raid.blockfix.classname配置项设置，默认为dist）。区别主要在获取的corruptionMonitor和DecomissionMonitor的实现不同。

LocalBlockIntegrityMonitor: 提供了CorruptMonitor实现会循环通过fsck检查corrupt文件，通过BlockReconstructor.CorruptBlockReconstructor重建这些文件。但该实现不提供Decomissioning文件的监控处理。local模式下corrput文件的重建是在RaidNode上进行的，对大量数据的重建，会对RaidNode有较大的压力。

DistBlockIntegrityMonitor: Dist模式提供的CorruptionMonitor和DecomissionMonitor是通过DFSck获取corrupt和decomissed的文件列表，计算优先级后，通过向集群提交job来完成重建，Job的输入是一个包含所有文件path的sequence file，Mapper实现是通过Reconstructor来重建每个文件。

BlockFixer(CorruptionMonitor): BlockIntegrityMonitor构建的用于修复corrupt文件的worker线程。

BlockCopier(DecomissionMonitor): BlockIntegrityMonitor构建用于修复decomission文件的worker线程。

PlacementMonitor: PlacementMonitor主要是通过blockMover完成为DRFS中的根据placement策略提供在Datanode之间move block的工具线程。BlockMover通过一个ClusterInfo线程周期性（默认1min）获取集群中live节点的最新topo结构。对于parity block过于集中的节点，需要将其分散开。分散的过程主要是：为每个的block构建一个BlockMoveAction线程，该线程在所有datanode中除当前block所在的节点外随机选取一个datanode，并选取一个proxysource datanode，proxysource datanode是用于将block复制到datanode的源节点，选取规则是优先选取当前block副本所在dn中与目标datanode所属同一rack的节点，如果没有，则从副本列表中随机选取一个作为源节点。

PurgeThread: PurgeThread封装了PurgeMonitor，它会定期扫描Parity文件中是否有孤儿Parity文件(即拥有该Parity文件的source文件已经不存在了)，如果有则需要将其删除，如果没有，会对Parity文件和对应的source文件进行placement检查。

HarThread: 为了减少RAID后Parity文件对Namenode的负担，HarThread封装了HarMonitor，它定期对超期的Parity文件进行归档处理(HAR)，超期时间由raid.parity.har.threshold.days指定，默认是3天。

##三、 raid和unraid流程详解

3.1 数据raid化

文件数据的raid化有两种场景，一种是通过raidShell之行 raidFile命令触发

hadoop raidshell -raidFile /path/to/file

另一种是TiggerMonitor线程周期行扫描policy，根据新的配置信息进行相应的raid化。

3.1.1 raidShell执行raidFile

当前client端执行raidfile请求时，大致的处理流程如下：

raidFile

  1. 首先检查请求的delay时间，还未到delay时间则不执行
  2. 参数处理，包括path路径校验，codec设置等
  3. 查询path路径状态，如果是文件或者当前模式是local模式，则执行doLocalRaid，通过RaidNode.doRaid()对path下所有文件进行raid。
  4. 如果是目录且当前配置的raid模式是dist，则通过raidNode.submitRaid() rpc请求向RaidNode提交raid请求。
  5. RaidNode接收到client提交的请求后，根据提交的额参数构造一个raid-policy，并添加到configMangaer中。等待RaidNode上TiggerMonitor守护线程下次运行是处理该policy。

3.1.2 triggerMonitor线程处理流程

triggerMonitor作为RaidNode上的守护线程，周期性从configManager中获取policy列表，对每个policy进行如下处理：

  1. 查询该policy的状态，如果未执行过，则立即处理，获取path中文件列表。如果该policy已经处理过，过滤其path中尚未处理的file。
  2. 如果是local模式，对列表中的file执行RaidNode.doRaid()
  3. 如果是dist模式，通过DistRaid构建一个raid job，该job的输入文件是所有待raid文件path构成的sequence file。mapper主要是调用RaidNode.doRaid()对输入中的file path进行raid。
RaidNode.doRaid()流程

上述表明，hdfs raid中对文件的raid最终都是由RaidNode.doRaid()来完成，不通场景下的区别主要是raid过程的执行地点不同：

  1. raidshell执行的local模式或者单个文件，raid过程是在client上完成
  2. local模式下tiggermonitor触发的raid， raid过程是在RaidNode上完成
  3. raidshell执行的dist模式且是目录时进行的raid，或者dist模式下triggermonitor触发的raid，是通过job的方式提交到集群上由每个task节点完成。

RaidNode.doRaid()的主要流程如下：

RaidNodeDoRaid

  1. 获取文件的block信息，如果block数小于3，则不进行raid。
  2. 对于为打到delay时间的也不进行raid
  3. 如果已经到达delay时间且block数>2 时进行生成parity文件
  4. 生成parity文件过程如图右半部所示：首先获取src文件path，生成parity文件的path，parity文件path的生成规则是 $parity_dir+src_path（codec中配置的是parity_dir是/raid， src文件path是data/file1.log， 那么该文件的parity文件path就是/raid/data/file1.log）
  5. 检查相应的parity文件是否已经存在，如果存在，检查parity文件的mtime（更新时间）是否与源文件mtime一致，如果是，则认为该源文件已经raid且是最新。不需要再进行raid。
  6. 如果parity文件不存在或不是最新，则重新通过Encoder来生成parity文件
  7. 设置parity文件的mtime为源文件的mtime。
  8. 检查parity文件的最终状态，主要是mtime是否与源文件一致。通过则raid完成

3.1.3 Encoder.encode过程

raid过程中最终的编码生成parity的工作有Encoder完成。编码过程主要如下：

EncodeFile

  1. 由于编码过程会比较长，所以先生成™p文件。™p文件的目录可以通过™p_parity_dir配置，默认是™p/$parity_dir
  2. 构建™p文件path，™p文件的path为™p目录下parity文件path加上一个随机long值构成，$™p_parity_dir/$parity_file+randomlong。
  3. 通过Erasued Code来进行编码到™p文件
  4. 删除原有的parity文件
  5. 将™p文件重命名为parity文件。
  6. 删除™p文件。

对于Erasured Code的生成过程大至流程如下： 从源文件中block列表中选取一些（数量有stripe_length指定，默认是10）block，构成一个strip（条？）。通过ParallelStreamReader工具构建一个并行读取10个block的的数据，每个block每次读取1个buff的数据(buffer大小有raid.encoder.bufsize指定，默认是1m)，一次读取构成一个二维byte数组byte[stripe_length][buff_size],这个二维数组做为Erasure Code的输入数据，进行编码生成erasued code。输出也是一个byte二维数组byte[parity_length][buffer_size]。

XOR算法中:parity_length为1， 即根据10位输入byte生成1位的奇偶校验码。

RS算法中: parity_length默认为4， 及根据10为输入生成4为的RS code，这四位分别写入4个™p文件中，在一个buffer全部编码完成后，将4个parity文件进行合并。生成一个™p文件。

3.2 损坏数据的恢复

raid数据的修复同样也有多个触发场景：

  1. client端使用DRFS读取数据发生数据丢失或损坏延长
  2. RaidNode上BlockIntegrityMonitor周期获取block数据发现数据异常时
  3. 通过raidshell执行 fixblock时

3.2.1 block读取时修复损坏数据流程

在client通过DRFS读取raid话的数据是，DRFS首先通过其内部封装的DFS去读block数据，当DFS读取时跑出CorruptionException或DecomissionException时，会被DRFS捕获，并对出错的block在client进行修复。主要流程如下：

  1. 在client配置了DRFS并使用DFS作为内置fs时，当通过FS.open获取文件InputStream时，返回一个ExtFSDataInputStream实例。
  2. 通过该inputStream读取数据时，首先通过内置DFS读取响应的block，正常情况下，返回需要的数据。
  3. 当内置的DFS读取block时跑出CorruptionException或DecomissionException时，会被ExtFSDataInputStream捕获。通过调用RaidNode.unRaidCorrputionBlock()来获取一个恢复的block，并从该block读取数据。

RaidNode.unRaidCorruptionBlock()过程首先获取该block的parity文件信息，然后构建一个恢复文件的path路径(该路径位于hdfs.raid.local.recovery.location配置的目录下，默认是/tmp/raidrecovery，文件名为原文件名+”.”+随机long+”.recoveryd”)，并通过Decoder.fixErasedBlock()来根据parity文件生成恢复文件。

注意:对于恢复文件所在的文件系统是可以通过fs.raid.recoveryfs.uselocal来配置的，默认是false，即使用DFS，恢复文件将在储与分布式系统中，当配置成true是，使用LocalFileSystem，将恢复文件存储在client端本地。

3.2.2 BlockIntegrityMonitor线程修复

RaidNode上的BlockIntegrityMonitor线程会通过DFSck工具检查系统中corrupt或decomission的数据，通过BlockCopier和BlockFixer线程周期行对出错的数据进行修复。local模式下，修复过程在RaidNode上之行，Dist模式下修复过程通过提交Job的方式提交给集群完成。

Local模式 LocalBlockIntegrity线程的核心是周期调用doFix方法修复corrupt文件，主要流程如下：

  1. 通过DFSck获取currput文件信息（HTTP访问）
  2. 过滤掉不能恢复的corrupt文件（没有parity文件的）
  3. 将corrput的文件排序，排序规则如下
    • parity文件优先，source文件在后
    • parity文件中codec.priority高的在先（codec.priority通过JSON中coder_priority配置）
  4. 对排序号的corrupt文件列表依次通过BlockRecontsturer来恢复。

Dist模式 DistBlockIntegrity中的有两个worker线程blockCopier和blockFixer，分别对应修复decomssion和corrput的文件。实际上两个线程的处理流程基本一致，大体如下：

  1. 检查当前正在运行的修复job数，如果当前job已经大于job上限，则等待之前的job运行完（该上线可以通过raid.blockfix.maxpendingjobs来配置，默认是100L）
  2. 通过DFSck获取损坏的文件信息，blockfixer线程获取corrupt文件信息，blockCopier获取decomission文件信息

  3. 计算获得的损坏文件的优先级：

    corrput文件的优先级如下(R为文件副本数，C为该文件corrput的block数)：

    • 默认为LOW
    • R>1 && C>0时： HIGH
    • R==1 && C>1时： HIGH
    • parityfile corrput && C>0时： HIGH

    decomission优先级计算规则如下（D为decomission的block数):

    • 默认为LOW
    • D>4时： HIGH
  4. 将计算好优先级的文件列表按优先级排序，作为参数构建修复Job。
  5. Job的输入是所有需要修复的文件path的sequence file。会根据raid.blockfix.filespertask配置的值进行sync，即在job的split阶段会按照该值设置的进行split，默认是20
  6. Job的Mapper主要是通过Reconstruter在task机上完成响应文件的恢复。

注意：对于修复Job还有一个参数限制，及每次job最多进行的task数，该值为固定值50，这意味着一个Job一次最多能修复的文件数是100个（raid.blockfix.filespertask*50）

3.2.3 RaidShell之行fixblock

通过raidshell执行 fixblock时, raidShell会通过BlockReconstructor来完成文件的修复。

3.2.4 BlockReconstructor文件修复过程

BlockIntegrityMonitor和RaidShell对文件的修复最终都通过BlockReconstructor来完成。 BlockReconstructor修复文件过程主要分为三类：Har parity文件，parity文件和源数据文件。

Har parity文件

  1. 获取har文件的基本信息及index
  2. 获取har文件中的lost block，对每个block进行如下处理：
  3. 在本地文件系统创建该block的临时文件，
  4. 对该block涉及的所有parity文件，获取对应的source文件，通过Encoder重新encode，在本地生成parity数。
  5. 将本地生成的block数据发送到一个datanode上，datanode的选取规则是从集群中除原block所属节点外随机选取一个。发送过程同时生成block的meta文件。

parity文件

parity文件的修复处理相对简单：

  1. 在本次创建lost block的临时文件
  2. 获取parity文件的源文件，通过Encoder重新encode，在本地生成parity文件的block
  3. 选取一个dn（选取规则和har parity文件修复一致），将block数据发送到该dn上，并同时生成meta文件

源数据文件

源文件的恢复与parity文件的修复相反，是一个decode过程：

  1. 对于file中丢失的每个block执行修复操作
  2. 在本地创建block的临时文件
  3. 通过Decoder恢复block数据
  4. 选取一个target dn，将block数据发送给target dn，并同时生成meta文件。

3.2.5 Decoder的修复过程

Decoder的修复过程即一个parity文件的decode过程：

Decode

  1. 根据文件中出错的位置，计算出错的block，该block所在的stripe，以及在stripe中的位置，计算parity文件相应block的位置。
  2. 通过ParallelStreamReader读取源block数据和parity数据，读取方式与编码时类似
  3. 通过Erasured Code将源block和parity数据的进行解码，生成丢失的block数据。

四、参考资料

  1. HDFS and Erasure Codes (HDFS-RAID)
  2. HDFS-RAID wiki
  3. Erasure Code
  4. Facebook hadoop-20
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